孤岛条带工作面的煤柱合理留设

2014-12-02邱运来

山东工业技术 2014年19期

邱运来

（汉诺联合集团有限公司,山东滕州 277110）

1 概况

我公司井田地处平原地区，地面村庄稠密，为了保护地面村庄及其他设施的安全，采用条带开采方法。在村庄搬迁完毕以后，剩余的工作面均为孤岛工作面。以3307综采工作面为例，3307综采工作面上、下的3305、3309工作面开采后，成为孤岛工作面。3307面煤厚度平均3.6m，煤层倾角平均8°，煤层埋深为-660m--690m。

2 合理煤柱留设分析

2.1 煤柱稳定性分区

煤炭开采过程中，由于断层、构造及边界隔离等因素的影响，或多或少会留有一些保护煤柱，如断层保护煤柱、大巷之间煤柱、工作面停采线保护煤柱等。煤柱的合理留取，尤其是煤柱的宽度对巷道的稳定性和提高煤炭回收率具有重要意义。

在回采或掘进巷道时，在煤柱边缘会出现数倍的应力集中，而在边缘处，煤柱抗压强度一般较低，使得边缘部分遭到不同程度的破坏，集中应力向煤柱深部转移，当煤柱的承载强度与支承压力达到极限平衡时，煤柱才处于稳定状态，该状态可分为3个区：Ⅰ为破裂区，也称卸载区；Ⅱ为应力增高区，承受高于原岩应力的荷载，Ⅰ和Ⅱ区统称为塑性区；Ⅲ为弹性区。

2.2 煤柱破坏显现类型

煤柱破坏显现类型分两大类：一类是动压型，煤柱及巷道上覆岩层正处于剧烈运动和破坏阶段，如：工作面采动和巷道掘进造成的扰动；另一类是静压型，煤柱及其巷道尚未受采掘影响或采掘影响已停息，上覆岩层处于稳定状态。

煤柱巷道破坏类型可归纳为4种形式：明显的移近量、断面缩小但不冒落；随断面缩变发生冒落；无移近量而冒落；煤柱表层爆裂。

2.3 影响煤柱留设因素

煤柱留设宽度主要受煤柱周围岩性（即煤柱所处层位）、煤柱所处深度、采动（构造）应力、水和煤柱巷道形状的影响。

（1）岩性（层位）对煤柱宽度影响。岩性影响系数（a）对煤柱宽度（Lm）的影响主要分为两个阶段，a＜0.5时，煤柱宽度随岩性影响系数基本呈慢速线性增长；当0.5≤a≤0.6时，增长率开始增加，煤柱宽度随岩性影响系数开始加快；当a＞0.6.时，增长率增加迅速，煤柱宽度随岩性影响系数增加很快。岩性影响系数从0.4增长到0.5，煤柱宽度只增长了8m左右，而岩性影响系数从0.5增长到0.6，煤柱宽度增长了15m左右；从0.6增长到0.7，煤柱宽度增长了25m左右。

（2）埋深对煤柱宽度影响。煤柱埋深对煤柱留设宽度是一个恒定存在影响的重要因素。图为采深对煤柱宽度影响。图为埋深对煤柱宽度的影响。

埋深对煤柱宽度的影响

（3）采动（构造）应力对煤柱宽度影响。超前支承压力影响范围为20m时，煤柱宽度为32m左右，增加12m，支压稳定系数为0.60左右；当超前支承压力影响范围为80m时，煤柱宽度为97m左右，增加17m，支压稳定系数为0.21左右；当超前支承压力影响范围为120m时，煤柱宽度为139m左右，增加19m，支压稳定系数为0.16左右。

（4）煤柱巷道形状对煤柱宽度影响。以上拱下矩形巷道煤柱宽度为基准，矩形或梯形巷道煤柱比上拱下矩形巷道煤柱要宽，并且随着煤柱宽度增加，系数（c）不断减小，但是实际增加宽度逐渐增大。

3 数值模拟研究

采用留设极限煤柱的方式进行小煤柱工作面的留设，既可以保证煤柱宽度达到巷道支护要求；又可以释放煤炭资源，提高产量。

分析工作面支承压力峰值位置、小煤柱宽度和巷道宽度情况可知，当煤柱为3m及以下时，巷道范围内应力较小（基本小于原始应力），巷道受压不大，冲击地压危险性小；但是煤柱煤壁破坏范围为2m左右，煤柱基本全部破坏，极不稳定，支护困难，甚至无法支护。因此3m煤柱不合理。

当煤柱为5m及以上时，部分甚至全部巷道处于远大于原始应力的高应力区域，巷道压力大，冲击地压危险性高。因此5m煤柱不合理。当煤柱为4m左右时，巷道基本处于原始应力大小（范围约为原始应力场的0.8-1.3倍）的应力区域，巷道受压小，冲击地压危险性低，且煤柱存在一定的完整煤体，有利于进行支护。因此4m煤柱应为合理极限煤柱。

最终研究分析确定4m为小煤柱留设宽度，4m煤柱为合理极限煤柱。

4 巷道矿压观测分析

4.1 观测方法和参数

在3307工作面轨道顺槽和皮带顺槽分别布置十字布桩观测巷道围岩变形。在轨道、皮带顺槽每隔100m左右设置一组“十字布桩”巷道围岩变形观测点，轨道顺槽共11组，皮带顺槽8组，每10天观测一次，设专人定期收集数据，进行数据分析处理，观测巷道变形规律。同时，巷道每200m设一个顶板离层仪，观测巷道顶板离层情况。