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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/j.cnki.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
[1] 魏峰远，陈俊杰，邹友峰.留设保护煤柱尺寸的影响因素及变化规律探讨[J].中国矿业，2006，15（12）.
[2] 刘继树，吴永生.保护煤柱留设的变形预计法[J].煤矿开采，2001，（4）.
[3] 马勇，赵岩.黄陵矿区二号煤矿煤层顶底板稳定性分析[J].陕西煤炭，2009，（5）.
[4] 杜美利，戴俊.黄陵二号矿巷道围岩松动圈及采煤工作面合理隔离煤柱宽度研究报告[R].2014.
（责任编辑：蒋建华）
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/j.cnki.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
[1] 魏峰远，陈俊杰，邹友峰.留设保护煤柱尺寸的影响因素及变化规律探讨[J].中国矿业，2006，15（12）.
[2] 刘继树，吴永生.保护煤柱留设的变形预计法[J].煤矿开采，2001，（4）.
[3] 马勇，赵岩.黄陵矿区二号煤矿煤层顶底板稳定性分析[J].陕西煤炭，2009，（5）.
[4] 杜美利，戴俊.黄陵二号矿巷道围岩松动圈及采煤工作面合理隔离煤柱宽度研究报告[R].2014.
（责任编辑：蒋建华）