煤矿工作面切眼保护煤柱宽度合理留设研究

摘要：黄陵二号煤矿412工作面为瓦斯、油、气共生的区域，解决工作面切眼长期留巷的问题已刻不容缓。文章通过对工作面切眼留设保护煤柱尺寸影响因素的分析，根据现有的经验，结合地质采矿条件，为保护煤柱的留设提供理论基础，给出了切眼保护煤柱的留设方案。

关键词：煤矿工作面;切眼;保护煤柱;采场应力分布;极限平衡理论 文献标识码：A

中图分类号：TD822 文章编号：1009-2374（2016）04-0150-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.04.075

黄陵二号煤矿412工作面为瓦斯、油、气共生的区域，为了达到“掘、抽、采”平衡，需要对工作面进行至少一年的预抽，而412工作面切眼紧靠二盘区201工作面采空区，切眼断面大，受201采空区矿压影响明显。因此解决工作面切眼长期留巷的问题，保证矿井的安全生产，已刻不容缓。

1 概况

1.1 工作面概况

412工作面位于二号井田四盘区右翼，其西部与北二开拓大巷相邻，东部为二盘区201工作面采空区，临近采区均为一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。412工作面巷道走向长度2600m，工作面长度279m。412工作面于2014年5月形成，根据“掘、抽、采”要求，计划于2015年6月进行回采。201工作面于2013年11月推采过412工作面切眼位置，采空区上覆岩层尚未达到稳定状态。

1.2 地质采矿条件

1.2.1 煤层情况。属侏罗系中统延安组，煤层为2#煤层。煤层为黑色，弱沥青光泽，半暗-半亮型，条带状结构，层状构造，内生裂隙发育。根据临近钻孔R53（5.05m）资料，煤层厚度为5.0～5.5m。上覆岩层厚度为550～600m。根据煤层底板等高线，煤层倾角为1.7°～3°，煤层硬度f=4。

1.2.2 煤层顶底板情况。煤层直接顶板为黑灰粉砂岩和深灰色细粒砂岩，泥岩质水平状层理、微波状层理，底部有黄铁矿薄膜，厚度为2～8m。煤层直接底板为灰黑色泥岩，团块状，含炭屑，具滑面易破碎，厚度为1.5～2.0m。

1.2.3 水文地质。直接充水含水层为侏罗系中统延安组（J2Y）煤层裂隙水和砂岩裂隙地下水，该层富水性较弱，局部会出现砂岩裂隙水。

2 留设保护煤柱尺寸的影响因素

2.1 上覆岩层岩性

上覆岩层的力学性质是影响留设保护煤柱宽度的主要因素。煤层顶底板岩性不仅影响到煤柱的应力状态和应力环境，而且对煤柱的强度有影响。一般说来，上覆岩层为硬岩层时较软岩层所需留设的保护煤柱宽度小。

2.2 煤柱强度

煤柱强度反映了煤柱支撑上覆岩层的承载能力。煤柱强度不仅与煤柱的力学性质、煤柱内的弱面、顶底板岩性和煤柱侧向应力等因素有关，而且与煤柱的长度、宽度和高度等因素有密切关系。

2.3 开采深度

在相同的地质、采矿条件下，应力极限平衡区宽度随着回采深度H的增大而增长。

2.4 开采厚度

开采厚度对上覆岩层有重要的影响，采厚越大，上覆岩层移动过程剧烈，移动范围增大，则保护煤柱尺寸就越大。

2.5 煤层倾角

煤层倾角不同，上覆岩层移动形式、破坏发展过程、破坏影响分布状态等特征也会不同，煤层倾角将会影响到保护煤柱的受力状态和应力集中程度，随着煤层倾角的增大，所需留设的保护煤柱宽度也相应增加。

3 保护煤柱留设的理论基础

根据矿山压力与岩层控制理论，工作面回采后，将对采空区边缘形成侧向支承压力，采空区边缘煤体形成破碎区和塑性区，承载能力降低。当煤柱宽度较小时，留设的煤柱基本被压缩，煤柱内荷载较小，应力向实体煤一侧转移;当煤柱宽度较大时，上覆岩层应力逐渐向煤柱上转移，煤柱中所承担的支撑压力增大。随着保护煤柱宽度的增大，煤柱中的最大垂直应力由小变大，然后再变小，而随煤柱宽度的增加，煤柱承载能力逐渐提高，工作面巷帮实体煤内的应力呈现逐渐向煤柱转移的趋势。当煤柱宽度达到一定值时，煤柱内应力达到峰值，这时煤柱承受着较大的上覆岩层载荷;随着煤柱宽度进一步增大，煤柱内的应力又呈现出下降的趋势，此时煤柱自身已经能够承担起上覆岩层的应力，煤柱起主要承载作用。因此巷道尽量选择在应力底或围岩稳定的煤层中，即处于201采空区的应力降低区，减小对切眼破坏。

Ⅰ―破裂区;Ⅱ―塑性区;Ⅲ―弹性区

4 二号煤矿现有技术成果及经验

第一，当采煤工作面推采距测点断面90m时，测值出现变化，表明工作面开采已对巷道稳定产生影响，引起顶板岩层中的应力再次重分布。当工作面推采距离到达约50m时，监测值出现明显增加。原410工作面采空区距201回风巷为55m，201回风巷受410工作面采动影响，巷道变形严重，甚至出现了局部冒顶。可见试验结果与实际基本一致。

第二，采空区侧塑性区宽度范围约为4m，巷道侧塑性区范围为2m。目前巷道保护煤柱宽度留设为35m，受二次采动影响，巷道原支护强度无法发挥围岩的自身承载能力，巷道变形严重，维护极其困难。

第三，二号煤矿煤岩参数见表1：

5 保护煤柱留设的计算

根据大采高回采巷道采场周围支承压力分布规律，影响范围最大可达60～80m。根据极限平衡理论，即护巷保护煤柱宽度必须保证煤柱的极限载荷σ不超过它的极限强度R。由以下公式：

γ――上覆岩层平均体积力，kN/m?（取25kN/m?）

D――采空区宽度，m（取280m）

δ――采空区上覆岩层垮落角（取40°）

由以上得：B≥70.5m。煤柱的安全系数取1.4，则B=98.7m。根据以上理论计算，412工作面切眼距201采空区留设100m净煤柱较合适。

6 切眼施工方案及断面支护设计的选择

考虑到412工作面切眼放置时间较长，为了减小受201工作面采动影响，工作面切眼采用分两次成巷方式，靠采空区侧施工4m导硐，合理调整切眼扩刷时间，减少切眼大断面放置时间，根据生产接续安排，设备安装前再进行扩刷。由于切眼暂时只施工切眼导硐，为满足通风要求，切眼导硐断面选择为4000mm×3800mm，断面支护为锚网索支护。导硐顶板采用Φ22mm×2800mm左旋螺纹钢锚杆配合钢筋托梁压网支护，顶板锚索采用“3-2-3”布置，采用规格为Φ21.8mm～12300mm防腐锚索，锚索排距为800mm;导硐靠采空区侧帮部采用Φ22mm×2800mm金属锚杆下压钢筋托梁挂复合网支护，靠采面帮部采用Φ22mm×2600mm树脂锚杆加设木托板挂复合网支护。第二次扩刷为4.6m的断面，扩刷断面顶板采用Φ22×2800mm左旋螺纹钢锚杆配合钢筋托梁压网支护，顶板锚索采用“4-2-4”布置，帮部采用Φ22mm×2600mm树脂锚杆加设木托板支护。见断面设计图：

7 结语

412切眼导硐施工完成后，对巷道围岩位移变化进行了设点监测，经过6个月的对巷道顶板下沉量、底板底鼓量和巷道两帮收敛移近量的观测记录，除巷道底板出现220mm的底鼓量，其余与顺槽掘进期间矿压观测值几乎相同。412切眼保护煤柱的留设较合理，为后期四盘区工作面走向长度的确定提供了理论基础和实践指导。

参考文献

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