第29卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)2001年10月局部煤柱下安全采煤技術(shù)楊光玉,賀興元(新汶礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司翟鎮(zhèn)煤礦,山東新泰271222 )摘要:以系統(tǒng)科學(xué)和控 制論的基本思想為指導(dǎo), 通過對局部煤柱下采煤的礦壓顯現(xiàn)分析,采取了- -些相應(yīng)的具體控制措施,對安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)定義。關(guān)鍵詞:煤柱下采煤;礦壓顯現(xiàn);控制中圖分類號: TD823.53文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B文章編號:0253-2336(2001)10-0016-04.Safety coal mining technology with partial coal pillarsYANG Guang- yu , HE Xing - yuan .( Zhaizhen Mine , Xinuen Mining Group Company Ld. Xintai 271222 ，China )在煤礦開采過程中,受地質(zhì)條件的影響,不可合頂板，直接底為泥質(zhì)粉砂巖, 厚0.5~3.6m,性避免地要留設(shè)部分煤柱,如果.上下分層之間的層間脆。距小于30 m,下層煤開采時將受到上層煤柱所形4403W工作面(圖1b)直接頂為0~ 1.5 m厚成的集中應(yīng)力影響,對下層煤的開采帶來不安全因的泥質(zhì)粉砂巖,性脆,偽頂為0.2~ 1.0 m厚的炭素。.因此研究煤柱下安全采煤技術(shù)是十分必要的。質(zhì)泥巖,易冒落,老頂為3.0~5.5 m厚的細(xì)砂巖，直接底為0.2~ 1.5 m厚的泥質(zhì)粉砂巖。1概況1.2 煤柱賦存狀況翟鎮(zhèn)煤礦3401W與4403W面都不同程度的存:3401 W工作面.上覆煤柱共有3處,自西向東依在上層工作面回采時留設(shè)的局部煤柱情況見圖1。次分別為:第一處煤柱對應(yīng)于3401W下部，走向長270 m,傾向平均45 m,形狀極不規(guī)則,該采區(qū)段2、4煤層間距平均13.2 m,且3401W面斷層裂工作面推進(jìn)方肉媒柱2隙發(fā)育;第二處煤柱對應(yīng)于全面,東部形狀不規(guī)煤柱3則，走向平均120m,傾向170 m,此處2、4煤層間距16~23 m,工作面中上部為背斜構(gòu)造;第三通輸恭處煤柱對應(yīng)于3401W中上部以下,走向平均27.5m,傾向103 m,形狀較規(guī)則。.執(zhí)道巷4403W工作面上覆煤柱有2處,自西向東依次煤生1為:第一處對應(yīng)于4403W面開切眼位置,走向18m,傾向118m,2、4煤層間距24m;第二處煤柱，鄢柱2對應(yīng)于4403W面上部,走向180m,傾向22 m,形狀不規(guī)則,2、4煤層間距20mo煙輸巷7H因5處煤柱的位置、尺寸、形狀及本區(qū)段地質(zhì)條件各有差異,其集中應(yīng)力的顯現(xiàn)程度也各有不同。在劇烈影響段,出現(xiàn)過頂梁折斷,支柱壓崩現(xiàn)象。支柱載荷平均27.5 MPa ,頂?shù)装逡平科骄?10 mm ,超過控制頂板下沉量允許值。同時,煤壁片幫平均圖2煤柱 -側(cè)為采空區(qū)400 mm,最大1 100 mm,頂板破碎段較為普遍,軌道巷頂板局部出現(xiàn)裂隙,且冒頂形狀多數(shù)形成人”字形,也曾出現(xiàn)過頂板臺階下沉，臺階錯距100 ~ 450 mmo2.2 煤柱集中應(yīng)力的形成圖3煤柱兩側(cè)為采空區(qū),煤柱寬度小于20 m2.2.1 集中應(yīng)力的形成受不同條件的影響,留設(shè)煤柱后,因煤柱周圍-側(cè)或多側(cè)為采空區(qū),在采空區(qū)不斷冒落、壓實(shí)過程中,上方巖體的部分重量及采動過程中形成的超前支承壓力便集中于煤柱之上,形成集中應(yīng)力, 待穩(wěn)定后,其應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)2~3,此時,底板圖4煤柱兩側(cè)為采空區(qū),煤柱寬度大于20 m巖層處于.上覆巖層增大了的靜壓作用下,并隨著煤層的開采,煤柱集中應(yīng)力開始由靜壓向動壓轉(zhuǎn)變，(3)C型。當(dāng)煤柱三側(cè)為采空區(qū)或孤島式煤而動壓一旦形成,圍巖應(yīng)力又將重新分布,在此過柱,煤柱寬度小于30m(Cq型)時,應(yīng)力分布規(guī)程中,上覆煤柱的集中應(yīng)力將達(dá)到(3~5) yH( γ律類似于圖3 ;煤柱寬度大于30m(C2型)時，應(yīng)巖層容重,H采深),甚至(7~8)yH,從而對煤層力分布規(guī)律類似于圖4,但其應(yīng)力集中程度大于B開采構(gòu)成威脅。型。其中A、B、C2型煤柱,集中應(yīng)力主要集中在2.2.2 集中應(yīng)力的分布規(guī)律煤柱邊緣帶20~ 30 m范圍內(nèi),且應(yīng)力集中系數(shù)為2煤柱的位置、尺寸及形狀的不同,其集中應(yīng)力~3 ,煤柱中部接近或略大于原巖應(yīng)力。對于A型的形成也是不同的,并且應(yīng)力集中的程度也各有區(qū)煤柱,實(shí)質(zhì)上它類似于一個懸臂梁, - -端有固支別,根據(jù)其形成因素,大致可分為以下幾種:點(diǎn),煤柱下開采過程中,集中應(yīng)力一般不會得到充(1)A型。當(dāng)煤柱一側(cè)為采空區(qū)時,其應(yīng)力集分釋中國煤化工大。而B、c型煤柱中程度較小,如圖2所示。.應(yīng)大MHCNMHG。(2)B型。當(dāng)煤柱兩側(cè)為采空區(qū)時,煤柱寬度根據(jù)以上分類, 3401W工作面第-處煤柱屬小于20m(B型)時,其應(yīng)力集中情況如圖3所C型，第二處煤柱屬C2 型，第三處屬C3型;示;煤柱寬度大于20m(B2型)時,其應(yīng)力集中4403W工作面兩處煤柱均屬A型。17第29卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)2001年10月同時,重點(diǎn)應(yīng)放在工作面防推跨上。(5~7)7H(3)根據(jù)上覆煤柱集中應(yīng)力分布規(guī)律及工作面上覆巖層三帶劃分可知:2煤層煤柱位于裂隙帶內(nèi),開采過程中,2煤層煤柱及其上覆巖層在形成裂隙的同時,伴隨著小范圍內(nèi)的下沉運(yùn)動,但是其較輕微的下沉運(yùn)動,足以使4煤層基本頂巖梁早已形成的砌體梁平衡結(jié)構(gòu)得到破壞,使基本頂由彎曲圖5煤柱兩側(cè)為采空區(qū) ,煤柱寬度大于30 m拉伸破斷向剪切破斷形式轉(zhuǎn)化,從而促使4煤層頂另外,2、4煤層間距及4煤層頂?shù)装鍡l件，板下沉運(yùn)動加劇,使基本頂下位巖層產(chǎn)生裂隙并加斷層及裂隙發(fā)育狀況都直接關(guān)系到4煤層開采過程大,也是工作面頂板時常發(fā)出動壓響聲的原因,裂隙間距的大小,使響聲強(qiáng)弱也存在區(qū)別。中上覆煤柱的集中應(yīng)力分布規(guī)律及影響程度。(4)對于不同類型的煤柱,隨應(yīng)力集中的范圍2.3煤柱下采煤礦壓 顯現(xiàn)規(guī)律及集中程度不同,工作面開采時壓力顯現(xiàn)的強(qiáng)度也(1 )煤柱下開采,不僅承受自身上覆巖層的支各有區(qū)別,其應(yīng)力影響及壓力顯現(xiàn)過程可概括為3承壓力,而且承受來自煤柱的集中應(yīng)力, 再加上開種形式:①弱一強(qiáng)→弱;②弱→強(qiáng)→弱→強(qiáng)→采超前壓力影響，三者形成復(fù)合疊加應(yīng)力,致使煤弱;③弱→強(qiáng)→強(qiáng)→弱。柱下開采壓力異常。(5)根據(jù)集中應(yīng)力在底板巖層中的傳播規(guī)律及(2)根據(jù)上述煤柱類型分類可知:對于寬度大現(xiàn)場實(shí)測資料總結(jié)可知:不同類型的煤柱,不同的于60 m的煤柱,在工作面煤柱下開采推進(jìn)30 m應(yīng)力集中程度,其應(yīng)力影響擴(kuò)散角也不同,對于后,集中應(yīng)力的影響逐漸減弱,在離開煤柱30 m .A、C2型煤柱,其應(yīng)力影響擴(kuò)散角在25~30°;對前,集中應(yīng)力的顯現(xiàn)程度又逐漸增強(qiáng),這與3401WB、C,型煤柱,其擴(kuò)散角較大,大約在45~55%。第二處煤柱下開采的壓力顯現(xiàn)是-致的。也就是(6)受工作面斷層、背(向)斜構(gòu)造及裂隙發(fā)說,寬度大于60m的煤柱,在其前后30m范圍育程度影響,對煤柱集中應(yīng)力的傳遞和擴(kuò)散有干擾內(nèi),集中應(yīng)力較強(qiáng),需要加強(qiáng)綜合支護(hù)，而在中間和變化,使集中應(yīng)力的礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為區(qū)段性,而范圍內(nèi),應(yīng)力集中程度較弱，-般對安全開采影響不是全面性,或者使集中應(yīng)力的影響有所增強(qiáng),或不大;對于寬度小于20 m的煤柱,由于長期受集者有所減弱。例如在3401W工作面第二處煤柱下中應(yīng)力作用,其實(shí)際塑性區(qū)范圍可能超出理論值。開采時,受背斜構(gòu)造影響,工作面應(yīng)力集中在工作也就是說,小于20m的煤柱,不存在有彈性核區(qū)面上部和下部，且上、下部顯現(xiàn)強(qiáng)度也有不同。域,在煤柱由塑性變形向松動變形的轉(zhuǎn)化過程中，(7)周期來壓與集中應(yīng)力的顯現(xiàn)相互影響，相煤柱的集中應(yīng)力得到部分或完全釋放,從而對煤柱互促進(jìn)。同期來壓使集中應(yīng)力顯現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng) ,而開采不構(gòu)成影響。3401W 工作面第三處煤柱下端集中應(yīng)力的影響使來壓正常的周期步距減少。其( 3202w工作面部分)開采時的壓力顯現(xiàn)可證明這中,在應(yīng)力集中較高范圍內(nèi),遇到周期來壓時，可一點(diǎn)。另外，對于4403W工作面第一 處煤柱存在使集中應(yīng)力顯現(xiàn)進(jìn)一步 加劇;而在應(yīng)力集中本來較一種特殊性 ,雖然其寬度小于20 m,其應(yīng)力影響.小的范圍內(nèi),周期來壓過程中,可能引起集中應(yīng)力也較小,但它不同于上述應(yīng)力釋放之說。除了前面增強(qiáng),但目前未出現(xiàn)這種情況。所說其寬度18 m的煤柱類似于懸臂梁外;對于煤(8)在觀測過程中發(fā)現(xiàn)，每一次較大的動壓響柱寬度為20~60m的煤柱,自始至終受到集中應(yīng).聲,都預(yù)示著煤壁前方直接頂肯定出現(xiàn)預(yù)生裂隙,力的影響，且影響程度較劇烈,個別情況下,即使且工作面推至此位置時.機(jī)道頂板出現(xiàn)”人”字劈加強(qiáng)了支護(hù)強(qiáng)度,也無法抗拒其頂板發(fā)生臺階下形中國煤化工沉。在3401W工作面第一處煤柱下開采時,工作HCNMH G面加強(qiáng)了木垛等特殊支護(hù),頂板也較堅(jiān)硬完整,可3燥仕下女主術(shù)燥技不的探索與應(yīng)用在強(qiáng)大的集中應(yīng)力作用下,還是發(fā)生了3次臺階下3.1工作面支護(hù)適 應(yīng)性分析(以3401W面為例)沉。此類煤柱下開采應(yīng)在盡量控制頂板臺階下沉的根據(jù)3401W工作面柱狀圖,正常狀況下,3.018第29卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)2001年10月m中細(xì)砂巖為第一巖梁，3.1 m粉砂巖為第二巖支護(hù)強(qiáng)度需求,但是單純增大支護(hù)密度,或者以梁, 2.9 m細(xì)砂巖、1.2 m的粉砂巖互層、1.8m粉0.7m為間距架設(shè)π型鋼梁,不僅增加了施工難砂巖及2煤層共同構(gòu)成第三巖梁,在整體上形成多度，多占用近- -半的柱梁。其施工中的可操作性也巖梁結(jié)構(gòu)。正常情況下,基本頂巖層在彎拉破斷時較差。因工作面頂板管理重點(diǎn)在于機(jī)道管理,結(jié)合所需支護(hù)強(qiáng)度:該特點(diǎn)及支護(hù)強(qiáng)度要求,把π型鋼粱與貼幫柱聯(lián)合Lo=4.33Mz+6.5使用。每隔1.5m支設(shè)一架π型鋼梁,保持一梁二L = Lo/2.45柱,在兩架π型鋼梁之間機(jī)道內(nèi)再支設(shè)2根貼幫柱,這樣既能滿足-定的支護(hù)要求,又可以及時維Pr = M2Yzfz + 2MεYε L/KrLK護(hù)機(jī)道頂板,特別是超前產(chǎn)生預(yù)生裂隙的頂板,可式中M,-直接頂厚度,取1.5 m;Lo-基本頂初次來壓步距;防止剛裸露頂板的破碎冒頂,并對煤壁片幫起到一定的控制作用。周期來壓步距;其次,留頂煤開采也是一種較好的方法之一。直接頂容重;有時,由于直接頂質(zhì)量指數(shù)偏低,在集中應(yīng)力作用f;直接頂懸頂系數(shù) ;下,直接頂極易破碎,機(jī)道冒頂頻繁。而留頂煤開P一所需支護(hù)強(qiáng)度 ;采后,-方面頂煤有-定塑性,在支架與頂板之間基本頂巖梁厚度,取3 m;起到一定的緩沖,對防止直接頂破碎具有積極作Lk- -控頂距 ,取3.7 m;用;另一方面,留頂煤對煤壁具有-定的“粘連”γE一基本頂容重 , 25 kN/m3 ;作用,防止或減輕了煤壁片幫的發(fā)生,現(xiàn)場實(shí)用也K一巖梁傳遞系數(shù) ,取2。證明這一點(diǎn)，留頂煤前,片幫多發(fā)生在煤壁中上經(jīng)計(jì)算可得: Lo= 19.4 m, L=8 m, Pr=部,使直接頂及早暴露而得不到及時支護(hù);而留頂195. 16 kN/m2。即在煤柱影響下,基本頂出現(xiàn)剪切煤后,片幫多發(fā)生在煤壁中下部,且片幫深度也變破壞時所需支護(hù)強(qiáng)度:輕。目前,煤柱下留頂煤開采是最為行之有效的方考慮各方面因素,為安全起見,以基本頂3個法之一。巖梁同時切落為準(zhǔn)計(jì)算,基本頂巖梁厚度取12 m,4結(jié)語公式同上，可得Pr= 648.6 kN/m2。煤柱影響下工作面支護(hù)設(shè)計(jì):加強(qiáng)切頂線抬棚使用質(zhì)量,使抬棚起到雙重作n = Pr/R用。抬棚作為工作面特殊支護(hù),同時也可作為正規(guī)Ri= hgK, KrK。KrR,支護(hù)作用,即把其初撐力由規(guī)定的50 kN提高到90kN,這樣,既可以提高支護(hù)強(qiáng)度，又可以減少頂b=1na板的最終沉降值,防止頂板下沉量過大而導(dǎo)致機(jī)道式中R,一支柱實(shí)際支撐能力 ;頂板發(fā)生剪切破壞。R;一支柱額定 工作阻力;在集中應(yīng)力劇烈影響階段,由于頂板發(fā)生臺階kg-支柱工作系數(shù),0.99;下沉,出現(xiàn)推跨事故的可能性較大,此時必須每隔K,一支柱增阻系數(shù) ,0.95 ;5 m支設(shè)-架木垛,四角接頂要求平穩(wěn)有力,從而Kb一支柱不均勻系數(shù) , 0.95 ;增加整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在工作面進(jìn)出煤柱下采煤30m內(nèi),在條件允許的情況下,應(yīng)合理調(diào)配K.一工作面傾角系數(shù), 取1 ;人員，盡可能提高工作面推進(jìn)速度,以防止工作面Kh-采高系數(shù) ,取0.9 ;長時間受壓而使頂板進(jìn)一步惡化。b一柱距;中國煤化工a-排距;MHCN M H G,山東德州人,工程師，現(xiàn)n--支護(hù)密度。任新汶礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司翟鎮(zhèn)煤礦副礦長。經(jīng)計(jì)算得: b=0.366m, n=3.415根/m2。3.2 煤柱下安全采煤的支護(hù)措施收稿日期: 2001-03- 05;責(zé)任編輯:曾康生由支護(hù)設(shè)計(jì)可知，柱距保持0.36 m才能滿足19