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[摘 要]本文论述的是不同区段安全煤柱宽度尺寸与区段安全煤柱倾向尺寸按上区段平巷下帮支承压力的分布、区段老空水水头和上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通的关系。本论述可为区段防隔水煤柱宽度的设计和区段老空水水头的控制提供理论依据和技术支撑。
[关键词]区段 安全煤柱 区段 老空水 沿空送巷
中图分类号：P618.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0163-02
为了保证采煤工作面正常、安全地进行生产，采煤工作面区段间通常要留设安全煤柱，即区段安全煤柱。它具有以下作用：
1.维护了机、风两巷，以满足采煤工作面回采期限的需要；
2.形成采煤工作面通风网络，以满足采煤工作面回采期间风量的需要；
3.满足了目前生产条件下的煤炭运输和运料的需要；
4.满足了隔离区段老空水的需要等。
从上述区段煤柱的作用可以看出，区段安全煤柱使用的合理与否，直接影响煤炭开采是否安全，甚至是否能够进行开采。为此，安全、正确、合理、经济地使用区段安全煤柱对煤矿开采极为重要。本文重点论证的是在存在区段老空水的情况下，区段安全煤柱的合理留设。
伴随着煤炭工业的发展，区段间的隔离产生了留煤柱法、沿空留巷法、沿空送巷法等，目前，在采矿深度较大的情况下，区段老空水的范围越来越广，危害日趋严重，以往的留煤柱法不能满足抵抗区段老空水水压、水位、水量的需要，区段安全煤柱尺寸的变化需要重新考虑、分析、论证，找出其规律，下面我们从以下几个方面来进行分析论证。
在通常情况下，区段安全煤柱倾向尺寸按上区段平巷下帮支承压力的分布来考虑。上区段平巷下帮支承压力分布的峰值是在其下方分布有固定（侧向）支承压力，此压力从采空区煤体边缘向煤体深部可分三个不同的矿压显现带。如图1所示。
从图1中可以看出。煤体边缘为卸载带，在此带内，煤体在不同程度上产生变形和破坏。使其承载能力降低，透水性增强，此带的宽度一般小于6m。由于煤体边缘遭到破坏后己基本上失去承载能力。上覆岩重即向煤体深部转移，从而形成支承压力影响带。在此带内，由于强大的支承压力（一般比原岩应力高1～2倍），导致煤层发生剪切破坏，从而形成预生裂隙，即此带内原生裂隙增大，还会出现新裂隙。其峰值分布在采空区下方8- 20m，影响范围距采空区边缘往下约30m。依据上述分析和《煤矿防治水规定》附录三之五之1条件，即巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离不得小于巷道高度的10倍可以得出下区段上平巷的位置可有以下三种合理的选择，即布置在距上区段平巷下帮5～6m处；布置在距上区段平巷下帮8～10m处（常规布置）；布置在距上区段平巷下帮30m处。下面以平煤集团十一矿戊9-10在810m深处指标参数为例，就这三种尺寸的区段煤柱能够适应的区段老空水的水头高度做一分析。
1.依据图1可知，当下区段上风巷采用沿空送巷时，则区段间可留设5m宽的煤柱，则其可承受的最大水压为：
P=（L/0.5kM）2 Kp /3
P—水头压力（MPa）；
L—煤柱留设的宽度（m）；
K—安全系数（2-5）；
M—煤层厚度或采高（m）；
Kp—煤的抗拉强度（MPa）
根据本采面煤层物理性质、煤层厚度、结构、构造和安全性等因素，计算参数选定如下：
K—安全系数选取5；
M—煤层厚度及采高3m；
L—煤柱留设的宽度5（m）；
Kp—煤的抗拉强度4MPa.
则P≈0.96 Mpa
2.依据图可知，当下区段上风巷上帮距上区段平巷下帮的距离留设8m宽的煤柱，则其可承受的最大水压为：
P=（L/0.5kM）2 Kp /3
P—水头压力（MPa）；
L—煤柱留设的宽度（m）；
K—安全系数（2-5）；
M—煤层厚度或采高（m）；
Kp—煤的抗拉强度（MPa）
根据本采面煤层物理性质、煤层厚度、结构、构造和安全性等因素，计算参数选定如下：
K—安全系数选取5；
M—煤层厚度及采高3m；
L—煤柱留设的宽度8（m）；
Kp—煤的抗拉强度4MPa.
则P≈1.52 Mpa
3. 下区段上风巷布置在距上区段平巷下帮的距离≥30m处时，其安全性应考虑三个方面。
3.1下区段上风巷布置在距上区段平巷下帮30m处时，是否避开了沿倾斜支承压力峰值区，下面通过计算沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离可以得到验证。沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离Lmax可按以下经验公式估算
Lmax= 17. 015 -0.475f-0.16Rc -0.199a+1. 593M+1.7 ×10- 3H，m
式中f-煤层坚固性系数
Rc-顶板岩石单向抗压强度，
a-煤层倾角
M-煤层采高
H-开采深度
根据戊9-10在810m深处测得的煤层各项指标和安全性因素，计算参数选定如下：
式中f=0.4～1.02，按f取0.45考虑
Rc= 40. 4M Pa
a =15°
M=3m
H= 810m
Lmax=17.015-0.475×0.45-0.16×40.4-0.199×15+1.593×3+1.7×10- 3×810= 16. 356（ m） 通过上述计算结果可以得出以下结论：下区段上风巷布置在距上区段平巷下帮30m处时，避开了沿倾斜支承压力峰值区。
3.2当下区段上风巷上帮距上区段平巷下帮的距离留设30m宽的煤柱，则其可承受的最大水压为：
P=（L/0.5kM）2 Kp /3
P—水头压力（MPa）；
L—煤柱留设的宽度（m）；
K—安全系数（2-5）；
M—煤层厚度或采高（m）；
Kp—煤的抗拉强度（MPa）
根据本采面煤层物理性质、煤层厚度、结构、构造、煤柱主体所在增压带的位置和安全性等因素，计算参数选定如下：
K—安全系数选取3；
M—煤层厚度及采高3m；
L—煤柱留设的宽度30（m）；
Kp—煤的抗拉强度4MPa.
则P≈59.72 Mpa
3.3 按上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通考虑，截水煤柱的计算如下：
导水裂隙带的高度计算可用公式：
=
式中H li -导水裂隙带高度。m；
∑M-累计采厚。单层采厚1- 3m，累计采厚不超过15m：
±-公式计算中的误差，取+号。
根据戊9-10煤层的平均煤厚3m和采煤工作面的基本情况，所以其导水裂隙带最大高度为：
Hli===36.21（m）
Hli=36.21m
由于煤层倾角15°左右，因此，隔水煤柱留设必须考虑回采后塌陷移动影响范围。该区域煤层回采后上山移动角按65°，下山移动角按54°考虑。其防水煤柱宽度为：
L=+=16.45+18.86=35.31（m）
L=35.31m
综合上述三个条件，隔水煤柱按35.31m（斜距）留设。（如图2）
根据对隔水煤柱适用水压的计算分析可看出，区段隔水煤柱的使用将具有以下规律。区段防隔水煤柱留设的宽度为5m时，其适用水压≤0.96 Mpa，考虑到煤柱已遭受破坏和上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通，煤柱将来还会遭受钻孔地破坏等安全因素，现场应将其水压控制在0.1 Mpa以内。若区段防隔水煤柱留设的宽度为8m时，其适用水压≤1.52 Mpa，考虑到煤柱大部分已遭受破坏，煤柱将来还会遭受钻孔地破坏，上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通和采煤工作面回采动压等安全因素，现场应将其水压控制在0.3Mpa以内。当区段防隔水煤柱留设的宽度为30m，避开了沿倾斜支承压力峰值区时；其可承受的水压可高达59.72 Mpa，为此可忽略不计，但对于上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通的条件却不能满足，为满足此条件，必须按前面的计算，将区段煤柱留设的宽度为35.31m。
通过对区段隔水煤柱使用的可靠性分析，可以得出以下结论：
1. 在留设区段隔水煤柱时，首先要调查清楚区段老空水的可控水压，以便选择区段隔水煤柱宽度；
2. 区段隔水煤柱宽度的留设应满足前述的区段隔水煤柱的使用规律；
3. 根据下区段上风巷的掘进进度随时疏放上区段老空水。
参考文献
[1] 《煤矿防治水规定》.
[关键词]区段 安全煤柱 区段 老空水 沿空送巷
中图分类号：P618.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0163-02
为了保证采煤工作面正常、安全地进行生产，采煤工作面区段间通常要留设安全煤柱，即区段安全煤柱。它具有以下作用：
1.维护了机、风两巷，以满足采煤工作面回采期限的需要；
2.形成采煤工作面通风网络，以满足采煤工作面回采期间风量的需要；
3.满足了目前生产条件下的煤炭运输和运料的需要；
4.满足了隔离区段老空水的需要等。
从上述区段煤柱的作用可以看出，区段安全煤柱使用的合理与否，直接影响煤炭开采是否安全，甚至是否能够进行开采。为此，安全、正确、合理、经济地使用区段安全煤柱对煤矿开采极为重要。本文重点论证的是在存在区段老空水的情况下，区段安全煤柱的合理留设。
伴随着煤炭工业的发展，区段间的隔离产生了留煤柱法、沿空留巷法、沿空送巷法等，目前，在采矿深度较大的情况下，区段老空水的范围越来越广，危害日趋严重，以往的留煤柱法不能满足抵抗区段老空水水压、水位、水量的需要，区段安全煤柱尺寸的变化需要重新考虑、分析、论证，找出其规律，下面我们从以下几个方面来进行分析论证。
在通常情况下，区段安全煤柱倾向尺寸按上区段平巷下帮支承压力的分布来考虑。上区段平巷下帮支承压力分布的峰值是在其下方分布有固定（侧向）支承压力，此压力从采空区煤体边缘向煤体深部可分三个不同的矿压显现带。如图1所示。
从图1中可以看出。煤体边缘为卸载带，在此带内，煤体在不同程度上产生变形和破坏。使其承载能力降低，透水性增强，此带的宽度一般小于6m。由于煤体边缘遭到破坏后己基本上失去承载能力。上覆岩重即向煤体深部转移，从而形成支承压力影响带。在此带内，由于强大的支承压力（一般比原岩应力高1～2倍），导致煤层发生剪切破坏，从而形成预生裂隙，即此带内原生裂隙增大，还会出现新裂隙。其峰值分布在采空区下方8- 20m，影响范围距采空区边缘往下约30m。依据上述分析和《煤矿防治水规定》附录三之五之1条件，即巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离不得小于巷道高度的10倍可以得出下区段上平巷的位置可有以下三种合理的选择，即布置在距上区段平巷下帮5～6m处；布置在距上区段平巷下帮8～10m处（常规布置）；布置在距上区段平巷下帮30m处。下面以平煤集团十一矿戊9-10在810m深处指标参数为例，就这三种尺寸的区段煤柱能够适应的区段老空水的水头高度做一分析。
1.依据图1可知，当下区段上风巷采用沿空送巷时，则区段间可留设5m宽的煤柱，则其可承受的最大水压为：
P=（L/0.5kM）2 Kp /3
P—水头压力（MPa）；
L—煤柱留设的宽度（m）；
K—安全系数（2-5）；
M—煤层厚度或采高（m）；
Kp—煤的抗拉强度（MPa）
根据本采面煤层物理性质、煤层厚度、结构、构造和安全性等因素，计算参数选定如下：
K—安全系数选取5；
M—煤层厚度及采高3m；
L—煤柱留设的宽度5（m）；
Kp—煤的抗拉强度4MPa.
则P≈0.96 Mpa
2.依据图可知，当下区段上风巷上帮距上区段平巷下帮的距离留设8m宽的煤柱，则其可承受的最大水压为：
P=（L/0.5kM）2 Kp /3
P—水头压力（MPa）；
L—煤柱留设的宽度（m）；
K—安全系数（2-5）；
M—煤层厚度或采高（m）；
Kp—煤的抗拉强度（MPa）
根据本采面煤层物理性质、煤层厚度、结构、构造和安全性等因素，计算参数选定如下：
K—安全系数选取5；
M—煤层厚度及采高3m；
L—煤柱留设的宽度8（m）；
Kp—煤的抗拉强度4MPa.
则P≈1.52 Mpa
3. 下区段上风巷布置在距上区段平巷下帮的距离≥30m处时，其安全性应考虑三个方面。
3.1下区段上风巷布置在距上区段平巷下帮30m处时，是否避开了沿倾斜支承压力峰值区，下面通过计算沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离可以得到验证。沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离Lmax可按以下经验公式估算
Lmax= 17. 015 -0.475f-0.16Rc -0.199a+1. 593M+1.7 ×10- 3H，m
式中f-煤层坚固性系数
Rc-顶板岩石单向抗压强度，
a-煤层倾角
M-煤层采高
H-开采深度
根据戊9-10在810m深处测得的煤层各项指标和安全性因素，计算参数选定如下：
式中f=0.4～1.02，按f取0.45考虑
Rc= 40. 4M Pa
a =15°
M=3m
H= 810m
Lmax=17.015-0.475×0.45-0.16×40.4-0.199×15+1.593×3+1.7×10- 3×810= 16. 356（ m） 通过上述计算结果可以得出以下结论：下区段上风巷布置在距上区段平巷下帮30m处时，避开了沿倾斜支承压力峰值区。
3.2当下区段上风巷上帮距上区段平巷下帮的距离留设30m宽的煤柱，则其可承受的最大水压为：
P=（L/0.5kM）2 Kp /3
P—水头压力（MPa）；
L—煤柱留设的宽度（m）；
K—安全系数（2-5）；
M—煤层厚度或采高（m）；
Kp—煤的抗拉强度（MPa）
根据本采面煤层物理性质、煤层厚度、结构、构造、煤柱主体所在增压带的位置和安全性等因素，计算参数选定如下：
K—安全系数选取3；
M—煤层厚度及采高3m；
L—煤柱留设的宽度30（m）；
Kp—煤的抗拉强度4MPa.
则P≈59.72 Mpa
3.3 按上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通考虑，截水煤柱的计算如下：
导水裂隙带的高度计算可用公式：
=
式中H li -导水裂隙带高度。m；
∑M-累计采厚。单层采厚1- 3m，累计采厚不超过15m：
±-公式计算中的误差，取+号。
根据戊9-10煤层的平均煤厚3m和采煤工作面的基本情况，所以其导水裂隙带最大高度为：
Hli===36.21（m）
Hli=36.21m
由于煤层倾角15°左右，因此，隔水煤柱留设必须考虑回采后塌陷移动影响范围。该区域煤层回采后上山移动角按65°，下山移动角按54°考虑。其防水煤柱宽度为：
L=+=16.45+18.86=35.31（m）
L=35.31m
综合上述三个条件，隔水煤柱按35.31m（斜距）留设。（如图2）
根据对隔水煤柱适用水压的计算分析可看出，区段隔水煤柱的使用将具有以下规律。区段防隔水煤柱留设的宽度为5m时，其适用水压≤0.96 Mpa，考虑到煤柱已遭受破坏和上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通，煤柱将来还会遭受钻孔地破坏等安全因素，现场应将其水压控制在0.1 Mpa以内。若区段防隔水煤柱留设的宽度为8m时，其适用水压≤1.52 Mpa，考虑到煤柱大部分已遭受破坏，煤柱将来还会遭受钻孔地破坏，上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通和采煤工作面回采动压等安全因素，现场应将其水压控制在0.3Mpa以内。当区段防隔水煤柱留设的宽度为30m，避开了沿倾斜支承压力峰值区时；其可承受的水压可高达59.72 Mpa，为此可忽略不计，但对于上、下两个区段采煤工作面开采后其导水裂隙带不沟通的条件却不能满足，为满足此条件，必须按前面的计算，将区段煤柱留设的宽度为35.31m。
通过对区段隔水煤柱使用的可靠性分析，可以得出以下结论：
1. 在留设区段隔水煤柱时，首先要调查清楚区段老空水的可控水压，以便选择区段隔水煤柱宽度；
2. 区段隔水煤柱宽度的留设应满足前述的区段隔水煤柱的使用规律；
3. 根据下区段上风巷的掘进进度随时疏放上区段老空水。
参考文献
[1] 《煤矿防治水规定》.