综采面区段窄煤柱合理尺寸研究

2020-12-16窦平

山东煤炭科技 2020年11期

窦平

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西晋城 048000）

区段煤柱对综采工作面安全开采具有重要作用，是维护工作面回采巷道安全开采的重要隔离体[1-3]。莒山矿3 号煤层属于优质煤，目前3 号煤层已越来越少，以往工作面之间的煤柱尺寸为30 m，造成了煤炭资源的大量损失，缩短了矿井的服务年限。为实现矿井可持续发展，对3 号煤层综采工作面区段煤柱合理尺寸进行研究，确定合理的煤柱尺寸。

1 工作面概况

3208 工作面所采的3 号煤层平均埋深238 m，平均厚度为6.2 m，煤层结构简单，含0～2 层矸石。该煤层稳定可采，煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，局部发育薄层泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩。工作面设计长度120 m，推进长度1400 m，采用综放工艺回采，其中采2. 2 m，放4.0 m，端头不放煤。3102 回风顺槽沿底板掘进，设计为矩形断面，尺寸为3000 mm×3000 mm。

2 区段煤柱尺寸研究

2.1 煤柱中部弹性核区尺寸

综采工作面在回采过程中采空区侧向上覆岩层会出现破坏运移，在工作面回采后区段煤柱主要由采空区侧破碎区、煤柱中部弹性核区及锚杆有效支护区组成。留设窄煤柱时为保证回采巷道围岩稳定，通常要求煤柱中部应具有一定宽度的弹性核区，即弹性稳定区。当上一工作面回采结束后，煤柱一侧为采空区，另一侧为工作面回风顺槽。根据SMP 强度准则[4-6]，区段煤柱中部弹性核区宽度按下式计算：

式中：L1、L2分别为煤柱中部靠近采空区及靠近工作面回风巷道一侧弹性核区的宽度，m；K1为上工作面采空区残余采动影响系数，根据现场监测取1.68；K2为本工作面采动影响系数，取1.8；σ0为煤体粘结力；η 为岩层侧压系数；φ 为煤体内摩擦角，取28°；M 为采高，取巷道高区3.0 m；H为煤层埋藏深度，取238 m。

上述公式计算，得W=2.14 m。即上工作面回采结束后煤柱中部区域弹性核区的宽度为2.14 m。

2.2 破碎区域宽度分析

一次采动影响后，区段煤柱受上工作面影响，在靠近采空区侧一定范围内会受采动影响而发生破坏，即煤柱靠近采空区边缘存在一定范围的破碎区。在以往3 号煤层相邻的一采区回采过程中对采空区侧向破碎区域的宽度进行了现场监测，现场钻孔监测研究结果破碎区域宽度为2.68 m。3208 综采工作面位于莒山矿2 采区，与一采区相邻，工作面实际开采地质条件基本相同，且无特殊地质构造，通过工程类比，确定煤柱采空区侧向破碎区宽度为2.7 m。

2.3 区段煤柱尺寸确定

根据上述分析可知，一次采动影响后区段煤柱中部稳定弹性核区宽度为2.14 m，采空区侧向破碎区宽度为2.7 m。考虑到回风巷道一侧锚杆有效支护长度取2.4 m，则区段煤柱最小宽度为7.24 m。综合考虑地质采矿条件及巷道支护条件，取区段煤柱宽度为8 m。

3 巷道围岩支护方案

采用窄煤柱护巷时，上工作面回采结束后，3208综采工作面回风顺槽一侧为区段煤柱，一侧为实体煤。在所确定的煤柱尺寸的基础上，根据以往的支护实践，3208 工作面回风顺槽主要支护方案如下：

巷道顶板采用Ф20 mm×2400 mm 型左旋螺纹钢锚杆，每排布置2 根，间距为800 mm，排距为800 mm。外侧锚杆与竖直方向呈15°夹角，中部锚杆垂直于顶板布置。煤柱帮及煤壁帮均采用Ф20 mm×2000 mm 型螺纹钢锚杆，间距为800 mm，排距为800 mm。帮部最上方及最下方锚杆与水平方向呈15°夹角，中部锚杆垂直于帮部打设。

锚索采用Ф15.24 mm×8300 mm 型高强度钢绞线，“1-2-1”型布置。当布置2 根锚索时间距为1600 mm，布置1 根锚索时布置于顶板中部，垂直于顶板打设，排距为1800 mm。巷道支护断面如图1 所示。