胡秀明

（西山煤電西銘礦黨政辦 山西 太原 030000）

1 概況及問(wèn)題的提出

西曲礦2#煤層是優(yōu)質(zhì)主焦煤，屬低硫低灰的優(yōu)質(zhì)資源，由于其賦存穩(wěn)定，頂?shù)装鍡l件較好，生產(chǎn)能力大，其洗精煤受到國(guó)內(nèi)外用戶的青睞，具有廣泛的市場(chǎng)。然而在生產(chǎn)過(guò)程中，煤柱的留設(shè)長(zhǎng)期以來(lái)一直是憑經(jīng)驗(yàn)確定，沒(méi)有一個(gè)較為合理的確定方案，致使留設(shè)過(guò)小，巷道維護(hù)困難，給安全生產(chǎn)帶來(lái)不利影響；留設(shè)過(guò)大，資源丟失量大，采區(qū)回收率難以提高，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。煤炭資源的不可再生性、稀缺性和短期內(nèi)的不可替代性，決定了在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，煤炭開(kāi)采的可持續(xù)發(fā)展的重要性，在大量投入人力、物力的情況下，盡可能的多出煤、出好煤，提高煤炭回收率。在我國(guó)統(tǒng)配煤礦中，每年巷道開(kāi)掘總量約為8000km，其中回采巷道約占60%～65%。說(shuō)明我國(guó)每年要沿煤層掘進(jìn)4800km～5200km的回采巷道，開(kāi)掘量大，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，對(duì)回采巷道護(hù)巷煤柱的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)論是煤層開(kāi)采前已開(kāi)掘的巷道或者在護(hù)巷煤柱內(nèi)布置巷道，煤柱寬度對(duì)煤柱的穩(wěn)定性和巷道維護(hù)的影響主要表現(xiàn)在以下兩方面：

一方面煤柱寬度決定了巷道與回采空間的距離，從而影響到回采引起的支承壓力對(duì)巷道的影響程度及煤柱單位面積的載荷；

另一方面煤柱的極限承載能力，不僅取決于煤柱的邊界條件和力學(xué)性質(zhì)，還取決于煤柱的幾何尺寸。煤柱周邊的極限承載能力較低，且隨著煤柱高度的增加而迅速降低。沿煤柱深部方向，極限承載能力顯著增高。煤柱的寬度及其高寬比，對(duì)煤柱的極限承載能力有很大影響，從而影響到煤柱的穩(wěn)定性和巷道的圍巖變形。

到目前為止，我國(guó)高瓦斯礦井中，采用綜合機(jī)械化采煤的回采工作面，其巷道布置形式一般采用兩進(jìn)一回或一進(jìn)兩回的通風(fēng)方式，所掘三條巷道為軌道順槽、皮帶順槽、尾巷。低瓦斯礦井有許多礦井由于沒(méi)有在順槽間留設(shè)合理的煤柱，一直困擾著生產(chǎn)的發(fā)展，嚴(yán)重威脅著礦井的正常生產(chǎn)，制約著機(jī)械化采煤工作面高產(chǎn)高效生產(chǎn)能力的正常發(fā)揮。而且還會(huì)造成回采巷道反復(fù)多次維修，翻修，不僅增加生產(chǎn)成本，甚至有些巷道不能再次利用，使礦井采掘比例嚴(yán)重失調(diào)，最終導(dǎo)致整個(gè)礦井不能正常生產(chǎn)。

巷道之間及巷道與回采工作面之間保留煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，近年來(lái)，我國(guó)的煤層巷道中，回采巷道、準(zhǔn)備巷道和開(kāi)拓巷道大都仍沿用煤柱護(hù)巷。

煤柱的穩(wěn)定性取決于煤柱上的載荷、煤柱的寬度和形狀，以及煤柱和圍巖的力學(xué)性質(zhì)。煤柱的載荷取決于開(kāi)采深度和煤柱周?chē)牟蓜?dòng)狀況。煤柱寬度對(duì)煤柱的穩(wěn)定性和巷道維護(hù)的影響主要表現(xiàn)在：煤柱寬度決定了巷道與回采空間之間的距離，從而影響到回采引起的支承壓力對(duì)巷道的影響程度及煤柱單位面積的載荷；煤柱的寬度及其高寬比，對(duì)煤柱的極限承載力有很大影響，從而影響到煤柱的穩(wěn)定性和巷道的圍巖變形。

煤柱是作為保護(hù)礦井巷道，控制巖層移動(dòng)和礦井隔離的常規(guī)方法，煤柱穩(wěn)定性是指在一定的時(shí)間內(nèi)、在一定的地質(zhì)力和工程力的作用下，煤柱由于應(yīng)力重新分布而僅出現(xiàn)變形，但并不產(chǎn)生破壞性的垮落和滑動(dòng)。因此，就煤礦生產(chǎn)和安全而言，煤柱的合理留設(shè)問(wèn)題至關(guān)重要，煤柱尺寸留設(shè)過(guò)大，造成資源浪費(fèi)，若留得過(guò)小，造成巷道多次破壞，多次維修，不僅使巷道維護(hù)費(fèi)用增加，而且常常影響生產(chǎn)，甚至造成安全事故，因此煤柱寬度的合理確定與煤礦的生產(chǎn)、安全以及礦井經(jīng)濟(jì)效益緊密相關(guān)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外確定護(hù)巷煤柱寬度的方法，主要有理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)估算及實(shí)測(cè)分析三種。各種理論計(jì)算的基本觀點(diǎn)都認(rèn)為煤柱的寬度必須保證煤柱的極限載荷不超過(guò)煤柱的極限強(qiáng)度，使煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。但缺乏對(duì)煤柱的穩(wěn)定性與巷道維護(hù)之間的關(guān)系及其影響因素的闡述，國(guó)內(nèi)外估算護(hù)巷煤柱寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，都以煤柱寬度為開(kāi)采深度的主函數(shù)，對(duì)影響煤柱及巷道穩(wěn)定性的其他重要因素都沒(méi)有涉及。實(shí)測(cè)分析法通過(guò)井下實(shí)測(cè)得到各類(lèi)巷道在不同的開(kāi)采深度、圍巖性質(zhì)、采支狀況及服務(wù)年限等條件下，巷道的圍巖變形量（μ）與護(hù)巷煤柱寬度（Β）之間的關(guān)系。μ—Β關(guān)系式和曲線較全面地概括了影響巷道穩(wěn)定性的基本因素，能直接反映不同煤柱寬度時(shí)巷道的維護(hù)效果，是目前選擇煤柱寬度比較實(shí)用的方法[1]。

煤柱護(hù)巷的問(wèn)題在我國(guó)應(yīng)用較早，國(guó)內(nèi)對(duì)此做了大量的研究工作，所取得的結(jié)論基本上是一致的，內(nèi)容如下[2]：

1）沿空掘巷不僅在掘巷期間圍巖強(qiáng)烈變形，而且在巷道掘出后仍保持較大速度的持續(xù)變形，這種變形要比完全沿空掘巷大；

2）認(rèn)為巷道的壓力主要來(lái)自煤柱一側(cè)，破壞了的煤柱不僅對(duì)頂板起不到支護(hù)作用，相反，使巷道維護(hù)極為不利；

3）煤柱巷道中的煤柱可以改善巷道掘進(jìn)條件，加快掘進(jìn)速度以及隔離采空區(qū)，在防止矸石和采空區(qū)積水進(jìn)入巷道方面是有利的。

國(guó)內(nèi)外護(hù)巷煤柱寬度的理論計(jì)算方法有按煤柱的允許應(yīng)力，煤柱能承受的極限載荷，以及按煤柱應(yīng)力分布計(jì)算等多種。各種理論計(jì)算的基本觀點(diǎn)都認(rèn)為煤柱的載荷來(lái)自上覆巖層及采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的重量，煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷不超過(guò)它的極限強(qiáng)度，使煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

1）英國(guó)威特克（Wittaker）認(rèn)為煤柱平均應(yīng)力σ反映了煤柱的受力狀態(tài)，凡作用于煤柱的平均應(yīng)力達(dá)到煤柱的極限強(qiáng)度R時(shí)，煤柱就處于極限平衡狀態(tài)，如公式1-1所示，此時(shí)求得的煤柱尺寸，應(yīng)是煤柱的極限寬度。

煤柱的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性與煤柱的形狀和尺寸有密切關(guān)系，威特克應(yīng)用了沙拉蒙和穆尼奧的研究結(jié)果得出了如下公式：

其中式中：

P—煤柱上總載荷，kN；

δ—采空區(qū)上覆巖層垮落角，0；

γ—上覆巖層平均容重，KN/m3

R—寬度為B、高度為h的巖柱強(qiáng)度，Mpa；

Rc—邊長(zhǎng)1英尺的立方體巖柱的單軸抗壓強(qiáng)度，Mpa；

B—煤柱寬度，m；

h—煤柱高度，m；

威特克認(rèn)為煤柱上的應(yīng)力是由煤柱上覆巖層重量及煤柱兩側(cè)采空區(qū)轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分懸垂巖層重量引起，此時(shí)煤柱寬度的計(jì)算公式為：

設(shè)某礦的 H=600m，h=5m，L=180m，δ=31°，γ=25kN/m2，代入上式，可求得煤柱的極限寬度B為85m，取安全系數(shù)為1.5，則得煤柱寬度為127.5m，顯然用此方法計(jì)算所得的煤柱寬度過(guò)大，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐不符。同時(shí)這種理論計(jì)算法缺乏對(duì)煤柱穩(wěn)定性與巷道維護(hù)之間的關(guān)系及其影響因素的研究，難以廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)和開(kāi)采條件。

2）英國(guó)大多以煤柱寬度為開(kāi)采深度的主要函數(shù)，即按上覆巖層重量作為選擇煤柱寬度的依據(jù)。獲得應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中

B—煤柱寬度，ft；

H—礦井開(kāi)采深度，ft。

該式折合成SI單位為：

3)在美國(guó)一些地區(qū)獲得應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中

M—煤柱高度，ft。

該式折合成SI單位為：

4）英國(guó)的Wilson根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)煤柱觀測(cè)總結(jié)而提出了煤柱寬度的設(shè)計(jì)公式，把煤柱在寬度方向分成兩個(gè)區(qū)，即中心承受三向應(yīng)力，表現(xiàn)為彈性的煤柱核區(qū)和雖然出現(xiàn)了裂隙，但限制核區(qū)側(cè)向移動(dòng)的屈服區(qū)。

實(shí)踐和理論都已表明，煤柱強(qiáng)度不僅與煤柱試塊的單軸強(qiáng)度、煤柱長(zhǎng)度、寬度和高度等有關(guān)，并且還與煤柱弱面、頂?shù)装鍘r性和煤柱側(cè)應(yīng)力等圍巖體系因素有密切關(guān)系。

若煤柱長(zhǎng)、寬尺寸大，則相對(duì)的邊界自由面小，因改變了煤柱內(nèi)部受力狀態(tài)，從而大幅度地提高了煤柱的承載能力。實(shí)踐中，相同采出率條件下的條帶煤柱較房柱煤柱穩(wěn)定也證明了這一點(diǎn)。煤柱高度愈小，煤柱強(qiáng)度就愈大，穩(wěn)定性就愈好；反之，煤柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性就差。Wilson提出的計(jì)算公式來(lái)源現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，煤柱寬度、高度等因素對(duì)煤柱的影響在公式中得到了體現(xiàn)，在每個(gè)實(shí)例計(jì)算中得到了證實(shí)。

Wilson條帶煤柱寬度設(shè)計(jì)方程為：

式中

L1─煤柱寬度，m；

L2─采出寬度，m；

m─采高，m；

H─采深，m；

K─安全系數(shù)，取0.5。

3 研究?jī)?nèi)容

目前，我國(guó)煤礦生產(chǎn)中大都采用經(jīng)驗(yàn)法確定煤柱的寬度，對(duì)生產(chǎn)缺乏指導(dǎo)意義，而煤柱的留設(shè)寬度與煤柱的強(qiáng)度、弱面情況、頂板巖性、采深、采高等諸因素有關(guān)，必須進(jìn)行實(shí)地礦壓觀測(cè)及合理的理論才能確定。

實(shí)測(cè)分析方法則是通過(guò)實(shí)測(cè)得到各類(lèi)巷道在不同地質(zhì)開(kāi)采條件下的圍巖變形量及其與護(hù)巷煤柱寬度的關(guān)系，并以巷道的穩(wěn)定性（圍巖變形量，斷面收縮率）作為衡量護(hù)巷煤柱寬度合理性的主要指標(biāo)。受采動(dòng)影響巷道的圍巖變形量由采動(dòng)期間的附加變形量和采動(dòng)趨向穩(wěn)定期間的圍巖流變所組成。護(hù)巷煤柱寬度較小、服務(wù)期限較短的區(qū)段巷道，附加變形量占總變形量的比重較大，附加變形量基本上可以反映煤柱寬度與巷道維護(hù)的關(guān)系。對(duì)于服務(wù)期較長(zhǎng)、煤柱寬度較大的主要巷道，采動(dòng)影響期間的圍巖流變量的比重較大，所以一般應(yīng)以總變形量作為衡量煤柱寬度合理性的指標(biāo)。

3.1 研究的主要內(nèi)容

1）研究巷道維護(hù)影響因素；

2）研究礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)（規(guī)律）；

3）依據(jù)西曲礦2#煤層的具體地質(zhì)情況，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)的手段，對(duì)西曲礦2#煤層煤柱寬度進(jìn)行相似模擬；

4）針對(duì)影響因素，依據(jù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律確定合理的護(hù)巷煤柱尺寸范圍。

3.2 技術(shù)路線

本課題采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析和相似模擬相結(jié)合的研究方法，首先研究回采工作面巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)煤柱應(yīng)力分布適應(yīng)性進(jìn)行分析，以尋求最佳支護(hù)方式，得到合理的回采煤柱留設(shè)尺寸。

4 研究的意義

回采巷道是回采工作面的咽喉，其支護(hù)、維護(hù)的狀況直接影響回采工作面的生產(chǎn)效率和安全情況，在回采開(kāi)采時(shí)，護(hù)巷煤柱的大小對(duì)煤炭損失的影響較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采區(qū)煤柱的損失量占到采區(qū)煤炭損失的36.7%，因此，合理留設(shè)煤柱并采取合理的支護(hù)方式，對(duì)提高煤炭回收率，保證工作面的高產(chǎn)高效，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。