区段煤柱破坏特征和小煤柱合理尺寸确定研究

区段煤柱破坏特征和小煤柱合理尺寸确定研究

窦春光

窦春光

扎赉诺尔煤业有限责任公司灵东煤矿内蒙古满洲里021410

摘要：区段煤柱是指走向长壁工作面之间留设的保护煤柱，其主要作用是隔离采空区。区段煤柱宽度决定着下一工作面沿空巷道的位置，煤柱宽度不同，沿空巷道所受的矿压影响不同。文章主要就区段煤柱破坏特征和小煤柱合理尺寸确定展开分析和探讨。

关键词：区段煤柱；破坏特征；小煤柱尺寸

引言

按照煤柱留设情况，沿空掘巷分为完全沿空掘巷和留小煤柱沿空掘巷两类。完全沿空掘巷过程中因采空区的水和瓦斯及其冒落的矸石会对巷道的正常掘进构成危险，而且给掘进通风造成一定的影响，其技术难度相对较高，因此大多采用留小煤柱沿空掘巷。沿空掘巷留设小煤柱技术是指沿着已经稳定的采空区边缘或与采空区之间留小煤柱掘进巷道。巷道掘进时，相邻采空区岩层活动应基本趋于稳定，巷道应处于应力降低区，以便于巷道维护。该技术的首要关键点是把握合理留设位置，即掘进巷道应布置在应力降低区域，因此掌握工作面开采期间区段煤柱破坏特征，是确定小煤柱合理宽度的重要依据。为掌握灵东矿工作面区段煤柱破坏特征，更好的为工作面合理区段小煤柱的留设提供依据，本课题采用KSE型钻孔应力计及钻孔窥视仪，对回采工作面采动影响下煤柱围岩应力分布规律及裂隙发育状态进行实测，在此基础上，综合采用理论计算、经验公式、数值模拟等方法进行了区段小煤柱合理留宽的研究。

1灵东矿区段煤柱破坏特征

1.1区段煤柱围岩应力分布规律

本次分析数据从2015年7月1日开始，至10月30日结束，监测了整个工作面采动影响过程，整个监测期间工作面走向推进约400m。

统计随工作面推进煤柱内不同深度应力变化，如下表：

表1煤柱内不同深度围岩应力统计分析

分析煤柱不同深度围岩应力分布特征可知，超前工作面87.3m～112.5m范围内，煤柱内围岩应力开始呈现增大的趋势，当超前工作面13.7m～43.2m时，煤柱内不同深度处围岩应力均达到应力峰值，应力集中系数为1.03～1.32；随着工作面的继续推进，应力集中程度逐渐减弱，此时应力峰值向煤柱深处转移，当临近工作面或工作面回采后，由于采空区侧向顶板的回转再稳定过程，应力集中程度再次呈现增大的趋势，直至侧向顶板活动稳定后，围岩应力不再发生变化。

煤柱内6m深度处超前工作面112.5m时，围岩应力开始呈现增大的趋势，当工作面推进至测点18m时，达到应力峰值9.23MPa，此时应力集中系数1.32，随着工作面的继续推进，应力峰值向深度转移，围岩应力开始逐渐减小，当工作面推过测点19m之后，围岩应力再次呈现增大的趋势，当工作面推过测点100.5m时，围岩应力保持稳定，此时应力集中系数1.23。

煤柱内7m深度处超前工作面99.3m时，围岩应力开始增大，当工作面距测点29.3m时，达到应力峰值，峰值7.7MPa，应力集中系数1.07。随着工作面的继续推进，应力峰值亦向内部转移，围岩应力呈现减小的趋势，当工作面推进至测点7.0m位置处，围岩应力再次呈现增大的趋势，当工作面推过测点102.5m后，围岩应力保持稳定，此时应力集中系数1.13。

煤柱内8m深度处超前工作面90.9m时，围岩应力开始呈现增大的趋势，当超前工作面13.7m时达到应力峰值，峰值6.57MPa，应力集中系数1.29，随着工作面的继续推进，应力峰值向煤柱内部转移，集中应力开始减小至初始应力，当工作面推过测点23.1m后，围岩应力再次呈现增大的趋势，当工作面推过测点112.5m后，围岩应力保持稳定，此时应力集中系数1.22。

煤柱内10m深度处超前工作面86.9m时，应力集中开始呈现增大的趋势，当超前工作面29.7m时达到应力峰值，峰值8.05MPa，应力集中系数1.15。随着工作面的继续推进，集中应力开始减小至初始应力，当超前工作面0.9m时，集中应力开始呈现增大的趋势，当侧向顶板活动稳定后，围岩应力降至初始应力。

煤柱内11m深度超前工作面96.1m处，围岩应力开始呈现增大的趋势，在工作面前方21.3m处，应力达到应力峰值，峰值达到8.89MPa，应力集中系数1.27，随工作面推进，围岩应力开始呈现降低趋势，应力峰值转移至煤柱深处，当工作面推过后9.9m，围岩应力再次呈现增大趋势，工作面推过至110.5m后，围岩应力保持稳定，此时应力集中系数1.24。

煤柱内12m深度，随工作面推进围岩应力起伏变化较小，在工作面超前测点43.2m时，围岩应力达到应力峰值6.22MPa，应力集中系数1.03，随后围岩应力呈现减小趋势，当工作面超前19.3m时，应力再次增大至6.23MPa，应力集中系数1.03，随后应力减小趋于初始应力。

煤柱内13m深度处，超前工作面87.3m时，围岩应力逐渐增大，当工作面推进至距测点34.8m时，围岩应力达到应力峰值5.53MPa，应力集中系数1.04，随着工作面推进，围岩应力不断降低至初始应力，当工作面推进至超前测点10.9m时，围岩应力再次呈现增大的趋势，当工作面推过测点114.5m时，围岩应力保持稳定，此时应力集中系数1.15。

煤柱内14m深度处超前工作面101.3m时，围岩应力开始呈现增大的趋势，当超前工作面28.1m时达到应力峰值，峰值7.26MPa，应力集中系数1.25，随着工作面的继续推进，应力峰值向煤柱内部转移，集中应力开始减小至初始应力，当工作面推过测点7.1m后，围岩应力再次呈现增大的趋势，至工作面推过测点118.5m后，围岩应力保持稳定，此时应力集中系数1.25。

煤柱内15m深度处，超前工作面76.9m时，围岩应力开始呈现增大的趋势，当工作面推进至测点19.7m时，达到应力峰值，峰值大小6.32MPa，应力集中系数1.03，随工作面的继续推进，围岩应力降至初始应力后其起伏较小，当工作面侧向顶板活动稳定后，应力集中系数仅为1.01。

为更清楚的掌握煤柱内围岩应力的变化规律，以下针对煤柱不同深度围岩变化进行了汇总分析，如下图所示：分析可知，工作面推进过程中，煤柱内围岩应力先后经历了超前采动应力增高区A、采动影响后应力降低区B、应力二次增高区C、应力稳定区D四个阶段。

图1煤柱内不同位置围岩应力分布规律

其具体变化过程如下：煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带，工作面前方形成超前支承压力，该压力由周围实体煤及煤柱承载，随工作面的推进，超前支承压力不断向前移动，当距工作面87.3m～112.5m时，测点进入超前支承压力影响范围，即开始出现超前采动应力增高区A；随着工作面的继续推进，超前支承压力逐渐前移，当距工作面13.7m～43.2m时，煤柱内不同深度处围岩应力均达到应力峰值，此时，煤柱内浅部区域进入塑性区，围岩应力向深部转移（如B区域当煤柱内6m深度处发生塑性破坏，围岩应力降低，煤柱内7m及10m位置围岩应力开始呈现增大的趋势）；之后随工作面推进，顶板破断，应力峰值前移，煤柱内围岩应力逐渐减低，进入采动影响后应力降低区B；煤柱进入采空区后，随着侧向顶板不断破断、回转，煤柱内围岩应力再次增大，进入应力二次增高区C；当测点滞后工作面100.5m～121.5m后，煤柱内围岩应力趋于稳定，围岩应力进入应力稳定区D。

1.2区段煤柱裂隙发育特征

分析煤柱内裂隙发育状况可知：

①工作面回采前，煤柱内0.3m范围内煤体较为破碎，为煤体破碎区；0.3m～2.8m范围内为煤体裂隙发育区，该区域多见有纵向裂隙，如C孔中0.4m、0.6m～1.0m、1.2m.、1.5m、2.2m～2.3m、2.8m处，D孔中0.4m、0.8m、1.1m及2.8m处。

②工作面采动影响后，煤柱内2.0m范围内煤体较为破碎，该区域为煤体破碎区；2.0～7.5m范围煤体裂隙较为发育，该区域内多处见明显纵向裂隙，如A孔内2.1m～2.2m、3.4～3.7m、5.3m、5.6m及7.0m处，B孔2.7m～2.8m、3.2m～3.3m、3.8m、5.3m、5.6m～5.7m、6.3m、7.3～7.5m处，均为纵向裂隙发育区。

总结以上分析可知，灵东矿回采前煤柱内破碎区范围为0.3m，塑性区范围为1.98m（2.8×sin45°），回采后受采动应力影响，煤柱内破碎区范围为2.0m，塑性区范围扩展至7.5m以上。

2区段小煤柱合理尺寸的初步确定

区段煤柱是指走向长壁工作面之间留设的保护煤柱，其主要作用是隔离采空区。区段煤柱宽度决定着下一工作面沿空巷道的位置，煤柱宽度不同，沿空巷道所受的矿压影响不同。因此，一般将避开采动支承压力峰值作用范围作为确定沿空巷道位置或区段煤柱宽度的主要依据。以下采用现场实测及理论分析，针对沿空掘巷小煤柱合理区段煤柱宽度进行进一步分析：

（1）基于煤柱内围岩应力分布规律下小煤柱合理尺寸

根据沿空掘巷小煤柱留设的基本原则，小煤柱应布置在侧向应力降低区域，基于煤体内应力分布规律现场实测可知，灵东矿单侧工作面回采后，侧向应力峰值位于煤柱内14m深度处，煤柱内塑性区宽度为0～14m，因此，沿空巷道可布置在距邻采空区14m范围内，考虑到巷道宽度4.5m，小煤柱宽度应小于9.5m。

（2）基于煤柱稳定性下最小煤柱尺寸

通过计算模型的建立和简化（如图），在考虑提高锚杆锚固力和支护作用的前提下，综合影响巷道围岩稳定性的主要因素，确定煤柱合理留宽最小尺寸的计算公式为：

B=Xl+X2+X3（1）

式中，Xl—上区段工作面开采在下区段沿空掘巷小煤柱中产生的破碎区的宽度，结合现场钻孔应力实测及理论分析，确定取值2.0m。

X2—帮锚杆有效长度，2.3m。

X3—煤柱安全系数，按照经验取（0.15～0.35）（Xl+X2）

图2沿空掘巷小煤柱宽度计算模型

按照极限平衡理论，参考实测有关参数，计算得：

Xl=2.0m，X2=2.3m，X3=（0.15～0.35）×（2.0+2.3）

则煤柱合理留宽：

B=Xl+X2+X3=2.0m+2.3m+（0.15～0.35）×（2.0m+2.3m）=4.95m～5.8m

因此小煤柱宽度应大于4.95m。

（3）合理区段小煤柱的初步确定

结合现场实测及理论分析，可知沿空掘巷小煤柱合理尺寸可初步确定为4.95m～9.5m。

3总结

总结以上区段煤柱围岩应力及裂隙发育特征的现场实测、理论分析及数值模拟，得到以下结论：灵东矿沿空掘巷合理小煤柱宽度可以确定为8.0m。由煤柱内围岩应力的变化规律可知，超前工作面87.3m～112.5m范围，巷道围岩即开始受超前支承压力影响，滞后工作面100.5m～121.5m，煤柱内围岩应力趋于稳定。小煤柱沿空掘巷应滞后采空区后方120m以上，若出现迎采掘进情况，其掘进巷道应超前工作面112m以外即停止掘进。

参考文献：

[1]黄显华.易自燃煤层残留煤柱开采防灭火技术研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2015.

[2]马平原.东怀煤矿沿空掘巷小煤柱合理宽度及支护技术研究[D].湖南科技大学，2014.

[3]文志杰，郭忠平，陈连军．极近距离中厚煤层联合开采煤柱尺寸优化设计[J]．煤矿安全，2008，（3）：54-57.