常 博

（神華新疆能源有限責任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830027）

1 引言

煤礦開采中一般通過留設區(qū)段煤柱來保護巷道，以提高煤柱的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對回采巷道的維護。但是，煤柱滯壓大量煤炭資源，煤炭損失率高達10%～30%。另外，回風巷受二次開采擾動影響，巷道維護困難，支護費用高。如何在保證巷道安全的前提下，盡量減小煤柱寬度，設計經(jīng)濟合理的煤柱尺寸，對煤礦提高煤炭采出率，具有現(xiàn)實意義?，F(xiàn)針對屯寶煤礦綜放工作面區(qū)段煤柱的合理寬度進行研究，綜合運用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等研究方法，全面分析煤柱的承載受力情況及塑性區(qū)分布特征，最終確定經(jīng)濟上有利、技術上可行的煤柱寬度，以實現(xiàn)礦井安全高效開采。

2 工程背景

屯寶煤礦位于準南煤田硫磺溝礦區(qū)西部，隸屬神華新疆能源股份有限公司。礦井設計生產(chǎn)能力120萬t／a，主要系統(tǒng)留設500萬t／a的生產(chǎn)能力。采用斜井—集中石門的開拓方式，井下生產(chǎn)為 “一井、一區(qū)、一面”，頂板管理方法為走向長壁全部垮落法。井田煤層頂?shù)装鍘r性多以粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖為主，煤層頂?shù)装屣柡蜖顟B(tài)下單向抗壓強度一般為5～30 MPa，屬較軟巖類。

屯寶煤礦1192綜放工作面9煤、10煤平均厚度8.76m，采煤機割煤高度按2.8 m 計算，頂煤厚度平均5.96m，采高為8.76m。1193綜放工作面9煤、10煤平均厚度8.76m，按采煤機割煤高度3.0 m 計算，頂煤厚度平均5.76 m，采高為8.76m。1192工作面下運巷位于9 煤中。9 煤和10煤的力學性質(zhì)：單向抗壓強度，12.75 MPa；單向抗拉強度，0.925 MPa；彈性模量，2.755 GPa；泊松比，0.235；黏結力，2.9 MPa；內(nèi)摩擦角，36.5°。9煤厚4.08m、10煤厚4.68m、9煤與10煤之間夾矸0.4～1.3m，煤層傾角15°～18°。煤層層理、節(jié)理發(fā)育，結構復雜，其空間形態(tài)比較穩(wěn)定，厚度變化不大，煤巖類型以半光亮型為主，半暗淡型次之。煤樣瀝青光澤，半堅硬，韌性較強。9煤、10煤局部裂隙發(fā)育，平坦斷口，條帶狀結構，含夾矸2～3 層。9 煤、10 煤夾矸在0.4～1m 左右，自東向西逐漸增厚，巖性為粉砂巖，中硬。頂板為灰褐色粉砂巖，致密、堅硬，具平行層理。底板為灰黑色粉砂巖或泥巖：粉砂巖，性脆，具平行層理；泥巖，致密、質(zhì)軟、性脆，具水平層理。飽和狀態(tài)下煤層單向抗壓強度1.29～31.3 MPa，平均15.6 MPa。

3 區(qū)段煤柱寬度計算分析

3.1 區(qū)段煤柱合理寬度的理論計算

計算煤柱承受載荷，以評估開采擾動對其載荷的影響，為煤柱合理寬度的確定提供依據(jù)。一般來講，保護煤柱上的載荷是由煤柱上覆巖層重量及煤柱一側或兩側采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量引起。屯寶煤礦地面山川起伏，埋深在306～435m 之間，平均埋深約370m；1193工作面斜長140m，埋深在266～377m 之間，平均埋深約322 m。因此，覆巖載荷P 為

式中：r——重度，kN／m3；

h——埋深，m。

1192工作面覆巖厚370 m，覆巖密度按2000 kg／m3計算，則其承受載荷約為7.4 MPa。

1193工作面覆巖厚322 m，覆巖密度按2000 kg／m3計算，則其承受載荷約為6.44 MPa。

工作面保護煤柱一側為采空區(qū)，一側為采準巷道。采空區(qū)和采準巷道在保護煤柱兩側各自形成塑性變形區(qū)，塑性區(qū)的寬度分別為x0和x1。

因此，保護煤柱保持穩(wěn)定的基本條件：煤柱兩側產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度不應小于煤柱高度的2倍。

式中：B——保護煤柱寬度，m；

h——保護煤柱高度，m。

以Mohr-Coulomb為屈服準則，得到采空區(qū)側和巷道側塑性區(qū)寬度計算公式：

由于1192工作面和1193工作面下順槽均為矩形，且它們的寬度和高度均分別為4.7 m 和3.3 m，故其寬度修正系數(shù)取1.4。支護力P 取0.3，應力集中系數(shù)一般取2～4，由于1192工作面壓力較大，取4。按照式 （3）進行計算，煤柱寬度至少應大于兩倍采高，即17.52 m。1192 工作面煤柱留設13m，導致留設煤柱寬度不夠，煤柱彈性核兩側的塑性區(qū)過大，不能滿足保護煤柱承載覆巖、實現(xiàn)其保護巷道的功能。

按照上述各項參數(shù)與公式進行計算，得到1192及1193 工作面采空區(qū)側和巷道側塑性區(qū)寬度：1192工作面采空區(qū)側塑性區(qū)寬度1.17m，巷道側塑性區(qū)寬度5.43m；1193工作面采空區(qū)側塑性區(qū)寬度0.98m，巷道側塑性區(qū)寬度4.12m。

1192工作面的開采實踐表明，當其護巷煤柱為13m 時，采取上行的開采模式，工作面下順槽變形嚴重，煤柱側煤體明顯向采空區(qū)傾斜。由于下部工作面開采結束后，留設的區(qū)段煤柱還要作為上部區(qū)段下順槽的護巷煤柱，煤柱的合理寬度對于保護巷道穩(wěn)定，節(jié)約資源，同時在開采過程中避免煤柱失穩(wěn)，起到了積極作用。

按式 （1）～式 （4）計算出的塑性區(qū)寬度，來計算1192、1193工作面煤柱寬度，它們的煤柱寬度分別為

理論計算表明，1192 工作面的煤柱寬度為24.12m，1193工作面的煤柱寬度為22.62m。上述計算過程是經(jīng)過簡化后得出的，以平面問題代替空間問題，以均質(zhì)的上覆巖層取代復雜的巖層賦存情況，不考慮煤柱邊緣部分會產(chǎn)生應力集中，以及由于采用上行開采導致煤柱邊緣部分破壞，而向采空區(qū)側坍塌、失穩(wěn)等。

3.2 區(qū)段煤柱合理寬度的數(shù)值模擬優(yōu)化

理論計算表明，1192和1193工作面的煤柱寬度分別為24.12m 和22.62m，處在20～25m 的范圍之內(nèi)。為便于計算，將煤柱留設寬度方案定為20、25、30、35、40 m 共五種，并特別構建分析煤柱寬度為13m 時的模型。以9煤工作面的地質(zhì)及開采設計為原型構建數(shù)值計算模型，利用三維有限差分法計算程序FLAC3D，對屯寶煤礦開采擾動過程中的巷道位移、應力、塑性區(qū)演化規(guī)律進行三維數(shù)值計算與分析。工作面不同寬度的區(qū)段煤柱模型如圖1所示。

3.2.1 不同寬度煤柱內(nèi)應力分布特征

圖2表明了不同寬度的區(qū)段煤柱，其內(nèi)部垂直應力的分布情況。由圖2可以看出，隨著煤柱寬度的加大，無論在巷道側還是在采空區(qū)側，垂直應力峰值均出現(xiàn)下降。表1表明煤柱內(nèi)應力峰值及應力集中系數(shù)隨煤柱寬度變化的關系。分析表明，加大煤柱寬度可以降低應力集中系數(shù)，從而降低綜放工作面動壓影響范圍與程度，提高巷道自穩(wěn)能力。同時發(fā)現(xiàn)，巷道側應力峰值基本處在2.5m 的深度，沿著煤柱傾向方向應力急速減小，在5.0 m 深度達到最小，5m 之后至采空區(qū)側煤柱5m 外的范圍內(nèi)應力基本呈緩慢增加趨勢，這一特征在20、25、30、35、40m 煤柱中較為明顯，13m 煤柱由于其寬度過小，應力變化較為急速。25、30、35 m 煤柱內(nèi)的應力變化趨勢較為平緩，故認為煤柱寬度在25～35m 較為合適。

圖1 工作面不同寬度的區(qū)段煤柱模型

圖2 不同寬度的區(qū)段煤柱，其內(nèi)部垂直應力分布

表1 煤柱內(nèi)應力峰值與應力集中系數(shù)

3.2.2 不同寬度煤柱塑性區(qū)分布特征

現(xiàn)通過對不同寬度煤柱的數(shù)值模型塑性區(qū)范圍進行對比分析，確定煤柱的合理寬度范圍。圖3反映了不同寬度的區(qū)段煤柱，其模型整體塑性區(qū)的分布特征。由圖3可以看出，隨著煤柱寬度的增加，模型中整體的塑性區(qū)面積逐步減小，巷道頂?shù)装迮c兩幫的塑性區(qū)面積及影響深度也隨著煤柱寬度的增加而減小，表明增加煤柱寬度可以提高其對頂板覆巖的承載能力，從而降低單位面積煤柱上的載荷，避免煤柱由于載荷過大而出現(xiàn)的向采空區(qū)內(nèi)坍塌、失穩(wěn)現(xiàn)象。

為全面反映不同寬度的區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布特征，繪制了不同寬度煤柱巷道側和采空區(qū)側塑性區(qū)深度分布特征圖4。圖4清晰表明隨著煤柱寬度的增加，無論巷道側，還是采空區(qū)的塑性區(qū)影響深度均出現(xiàn)了減小的趨勢：13、20、25 m 三種方案的塑性區(qū)影響深度相同；30、35、40 m 三種方案在采空區(qū)側的塑性區(qū)深度相同，但隨著煤柱寬度的進一步加大，采空區(qū)側塑性區(qū)深度減小為零。由于30m 煤柱與30m 以上的煤柱，其塑性區(qū)深度在巷道側減小不大，而25 m 煤柱與30 m 煤柱在巷道側的塑性區(qū)影響深度也相同，因此認為煤柱寬度取25～30m 較為合適。這樣，既能保證塑性區(qū)影響深度大，又可適當減小煤柱寬度。

為驗證這一分析結果，對不同寬度區(qū)段煤柱巷道側和采空區(qū)側塑性區(qū)面積分布進行了統(tǒng)計分析（見圖4）。由圖4可以看出，13m 寬度的區(qū)段煤柱時，塑性區(qū)無論是在巷道側，還是采空區(qū)側均最大，表明煤柱寬度過小。25m 和30m 寬度的區(qū)段煤柱在巷道側面積相同，但25m 煤柱在采空區(qū)側的塑性區(qū)面積略大于30 m 煤柱的方案。30 m 及30m 以上寬度的煤柱方案中塑性區(qū)面積變化不大，所以煤柱寬度可取30m 以下。綜合分析認為，區(qū)段煤柱主要作用是保障巷道側穩(wěn)定，采用25m 和30m 煤柱寬度時，巷道側塑性區(qū)面積相同，故認為區(qū)段煤柱寬度取25～30m 較為合適。

圖3 不同寬度煤柱塑性區(qū)分布特征

圖4 不同寬度煤柱巷道側和采空區(qū)側塑性區(qū)深度分布特征

3.3 工作面超前支承應力的現(xiàn)場監(jiān)測

圖5 工作面前方支承壓力變化

隨著綜放工作面的開采，煤（巖）體內(nèi)的應力發(fā)生變化?，F(xiàn)場監(jiān)測煤（巖）體內(nèi)應力變化，對全面了解動壓巷道煤柱的影響范圍與變形程度，掌握煤體應力分布特點，進行煤柱優(yōu)化設計，具有重要意義。鉆孔應力計是常用的測量煤體與煤柱應力變化的儀器。在1193工作面安裝鉆孔應力計，進行煤柱護巷效果的監(jiān)測，以掌握煤柱側應力分布特征。如圖5所示，煤壁前方5～15m 是壓力的升高區(qū)，15m 左右達到峰值，之后趨于下降，煤柱側壓力峰值稍滯后于煤壁側。在監(jiān)測期間，工作面回采過程中遇到斷層，從監(jiān)測的結果來看，煤壁側與煤柱側的壓力值是交替出現(xiàn)的。但是整體上來看，煤壁上承受的壓力值要大于煤柱上的壓力值。從現(xiàn)場的觀測結果來看，靠近煤壁側的幫鼓量要大于靠近煤柱側的幫鼓量，這與1193工作面留設煤柱寬度較大，煤壁側巷道受動壓影響顯著有關。還可以看出，煤柱側壓力在20～37.5m 范圍內(nèi)基本呈下降趨勢，煤壁側的壓力沒有變化，生產(chǎn)期間，安裝在煤壁側的儀表損壞。綜合以上研究成果，可知1193工作面煤柱留設能夠滿足巷道支護要求，頂板載荷壓力不大，有利于巷道的穩(wěn)定。

4 結論

采用巖石力學、礦山壓力控制等作為理論基礎，結合FLAC3D等軟件數(shù)值模擬分析，以及現(xiàn)場監(jiān)測結果，確定了屯寶煤礦區(qū)段煤柱的合理寬度，并得出以下結論：

（1）理論計算表明：1192 工作面的煤柱寬度為24.12m，1193工作面的煤柱為22.62m。由此可見，隨著埋深的減少，煤柱承載壓力逐步降低，煤柱的寬度也可適當減少。

（2）25、30、35m 煤柱內(nèi)的應力變化趨勢較為平緩，故認為煤柱寬度范圍在25～35m。

（3）25m 和30m 煤柱寬度時巷道側塑性區(qū)面積相同，故認為區(qū)段煤柱寬度取25～30m 較為合適。

（4）30m 及30 m 以上的區(qū)段煤柱寬度方案中，位移量變化差異不大，故認為區(qū)段煤柱的寬度應在25～30m。

綜合以上結果認為，以1192和1193工作面具體為例計算的煤柱寬度在20～25m，考慮到現(xiàn)場支護安裝質(zhì)量及斷層影響，區(qū)段煤柱可適當加大，煤柱寬度留設在25～30m 較為合適，在此范圍內(nèi)既能保證煤柱內(nèi)應力變化趨勢平緩、塑性區(qū)面積及深度較小、位移量穩(wěn)定，也可減小煤柱損失。考慮到屯寶煤礦采用上行式開采，下部工作面埋深通常比上部工作面深，如1193工作埋深小于1192、1191工作面，可建議在開采下部工作面時采用30m 的煤柱，在開采上部工作面時采用25m 的煤柱。

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