千米深井沿空掘巷区段煤柱合理宽度的研究

聂凤祥 刘纯文

（新汶矿业集团公司潘西煤矿，山东 莱芜 271107）

潘西煤矿6197工作面与6198工作面的合理区段煤柱宽度设计问题是关系到冲击地压、瓦斯异常、底板突水、煤层自燃等灾害防治的综合性课题。6198面埋深大，煤层强度低，单轴抗压强度仅有2.2MPa，属极软煤层。现有工作面煤柱宽度设计大多采用70m的宽煤柱，浪费了大量的煤炭资源。通过对6198上巷巷道区段煤柱宽度的研究，提出了合理宽度设计。

1 概况

潘西矿具有采深大、煤层软、冲击危险性大，局部瓦斯异常的特点，6198工作面位于-740m水平后六采区，南部为6197工作面采空区，工作面平均埋深1002.6m。19煤层平均厚度2.5m，基本顶为中砂岩，厚19m；直接为顶粉砂岩，厚6.5m；直接底为砂质粘土岩，厚3.6m；基本底为细砂岩灰色，厚14m。在这种复杂条件下进行开采，区段煤柱宽度的设计必须考虑防冲的需要，还需考虑防火、防水、防瓦斯的需要。

2 顶板运动规律分析

2.1 直接顶岩层的运动规律

（1）直接顶初次垮落时的厚度

式中：

L-直接顶岩层初次垮落步距，m；

M-直接顶分开运动的岩层厚度，m ；

式中：

MZ-直接顶厚度，m；

H-采高，2.5m；

SA-沉降量，取SA=0.3；

KA-岩层的碎胀系数，取KA=1.35。

6198工作面直接顶垮落厚度为5m。

（2）直接顶垮落步距计算

α-煤层倾角，（°）。

计算得到，初次垮落步距L=16.2m。

初次垮落步距有一个误差波动范围。当L＜35m，波动值为±4m。L=（16.2±4）m；平均垮落步距为16.2m。

2.2 基本顶运动规律预计

（1）基本顶的厚度

基本顶的位置在约6～8倍采高的范围内，即约在15～20m的高度范围以内，对照柱状图可以确定，基本顶厚度为ME=19.0m。垮落方式为分层垮落。

（2）基本顶初次来压步距

考虑到岩石强度的变化和波动，预计基本顶初次断裂步距在36.7±6m之间。

（3）基本顶周期来压步距

一般为初次来压步距的1/2.5～1/3之间。即为12.2～14.7m。

2.3 工作面支承压力

（1）直接顶初次垮落期间的最大顶板压力

式中：

γZ-直接顶的容重，取2.4t/m3；

LZ-直接顶初次垮落步距，16.2m；

Lk-控顶距（按顶梁长度），取6m。

代入数据得：A=14.3t/m2。

正常推进阶段直接顶压力A=MZ·γZ； 得A=10.6t/m2

（2）基本顶的压力

初次来压期间的顶板压力，按照防止切顶的原则计算压力，则：

式中：

ME-基本顶厚度，m；

γE-容重，取2.4t/m3；

L-来压步距，36.7m；

KT—岩重分配系数，KT的选取见表1所示。

得N=6.5/3=2.2，KT=2N=4.4。

表1 KT选取

代入数据得：

基本顶周期来压的顶板压力，按照防止第一岩梁在煤壁切落的原则计算。

式中：

C-周期来压步距，m。

代入数据得：

3 工作面回采侧向岩层结构特征

（1）实体煤侧向岩层结构

6198工作面上覆岩层直接顶为6.5m厚粉砂岩，基本顶为19m厚中砂岩。参照6197工作面开采过程中实测的矿压数据，基本顶初次来压步距为32m左右，周期来压步距为13m左右，与理论计算的6198工作面的来压数据比较吻合。

侧向岩层结构特征是确定护巷煤柱宽度及沿空巷道支护设计的基础。6197工作面煤层平均厚度2.5m，一次采全高，6.5m厚的粉砂岩直接顶随采随冒，基本填满采空区，顺槽宽3.4m，高3.2m，其侧向岩层结构如图1所示。

图1 侧向岩层结构

（2）沿空侧侧向岩层结构

受沿空顺槽掘进影响及沿空工作面回采超前影响，工作面侧向岩层结构发生变化，主要表现在：

① 岩层运动范围扩大，侧向岩层断裂线向煤体深部偏移；

② 煤柱受顶板断裂结构块回转影响，产生大变形，处于给定位移状态；

③ 沿空顺槽实体帮一定宽度处于屈服状态，沿垂直方向处于给定位移状态。此时工作面侧向岩层结构如图2所示。

4 工作面区段煤柱合理宽度

4.1 工作面矿压观测

巷道表面位移观测。在6197工作面上、下顺槽各设置2处测线，每条测线进行顶底板移近量和两帮移近量的观测。在测线巷道两侧和顶底板设置基点，每天测量顶底板移近量和两帮移近量。自5月24日至7月14号，分别对6197上、下两巷进行了连续观测，测得工作面超前影响距离大于120m，工作面超前剧烈影响范围为47m，工作面周期来压步距为12～14m。

4.2 侧向支承压力的钻孔应力监测

在6197工作面上、下两巷布置钻孔应力计，实时监测工作面推采过程中侧向支承压力的变化规律，如图3所示。

图2 沿空面侧向岩层结构

图3 钻孔应力计监测方案

自05月23日至7月19号，分别对6197下巷进行了连续观测，测得侧向支承压力峰值约为9m位置，侧向低应力区范围约为5m。

4.3 区段煤柱合理宽度的确定

从控制次生灾害角度出发，煤柱宽度应大于3m；从锚杆支护 (锚杆长度2.2～2.4m)有效性角度出发，煤柱宽度应不小于5.0m；从冲击地压防治角度出发，沿空巷道实体帮的卸压区宽度应不小于10m，加上沿空巷道宽3.4m，则区段煤柱宽度应不大于8.1m。综合分析认为，合理的区段煤柱宽度为5.0～8.1m。结合钻孔应力实测结果，区段煤柱宽度选择6m为宜。

4.4 泄水巷影响下的合理区段煤柱宽度

6197工作面运输巷外侧有一条泄水巷，其布置是根据最小流水梯度角设计的，因走向方向弯曲复杂，导致其与6197工作面的煤柱宽度不均一。最大煤柱宽度45m，最小宽度仅6.8m。

4.5 采空区侧向支承压力计算

由于表土层较薄，基岩厚度相对较大，取岩层移动角α约为80°。由于后六采区先后开采了6196面、6197工作面，经地表岩移观测分析19煤层开采后对地表地形影响较小，为非充分采动，可以将6196、6197两个工作面采空区合并计算侧向支承压力。取6196、6197工作面采空区平均倾斜长度为380m，平均采深为820m，通过计算，得到6196、6197采空区一侧煤体的侧向支承压力峰值位置距采空区约98m，支承压力峰值约为67.62MPa；距采空区0～33m为低应力区；距采空区33m～196m为支承压力影响区；距采空区196m以外为原岩应力区（如图4）。

6198工作面位于6197工作面下部，煤层的平均倾角为28°，岩层在倾向分力的作用下向下方滑移，6198工作面开采后对上区段的影响范围增大。6198工作面基本顶中心距煤层16m，故应力分量在煤层方向转移距为l=16×tan28°=8.5m，则OA=33+8.5=41.5m。

图4 采空区侧向支承压力曲线

4.6 泄水巷外侧合理区段煤柱宽度

根据上述理论计算，合理的区段煤柱宽度宜选择在OA段，即41.5m以内。此外，6197泄水巷也会对6198上巷的位置形成一定影响，一般而言，4m宽的巷道开掘后，其侧向支承压力剧烈影响区约为3～4倍巷宽，即12～16m，取平均值14m，因此，6198上巷与泄水巷距离必须大于14m。

5 结论

（1）通过理论和实测两种方法对工作面开采过程中顶板运动规律和运动特征进行了研究，得到工作面初次来压、周期来压的参数。

（2）将避开侧向支承压力峰值影响、隔离采空区分别作为确定区段煤柱宽度上、下限的依据，采用理论计算、现场实测、工程类别、数值计算等方法确定了6198上区段煤柱合理宽度为5～8.1m，以6m为优选方案，泄水巷外煤柱宽度14m为优选方案。

（3）合理设计留设区段煤柱既有利于施工巷道稳定，有利于冲击地压、水害以及次生灾害控制，也最大限度地提高资源回收，沿空巷道布置在低应力区，以小煤柱与采空区隔离最为有利。