武慧龍

（山西西山煤電集團公司 西曲礦，山西 030200）

該礦普遍留設(shè)30 m左右寬煤柱維護巷道，造成資源浪費外，還會產(chǎn)生安全隱患等問題。合理的煤柱寬度對于提高煤炭資源回收率、保證巷道穩(wěn)定以及實現(xiàn)綜合開采高產(chǎn)高效意義重大。

1 22108工作面基本情況

東曲礦22108工作面煤層較穩(wěn)定，煤層傾角平均15.3°，厚度6.3～13.5 m，平均厚度9.7 m。工作面長2344 m，傾向長238 m，采用綜放采煤工藝，采煤高度2.4 m，放頂煤高度9.4 m。

2 煤柱寬度理論計算

巷道煤柱上所承載的應力是上方煤巖層自重所產(chǎn)生的，計算方法如下：

（1）煤柱上承載的應力：

式中：B為寬度；D為開采寬度；H為巷道深度；δ為傾斜角，γ為平均體積力。

（2）煤柱單位面積的平均應力：

式中：B為煤柱寬度；P為煤柱上覆巖層的總載荷。

（3）煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過極限強度R，其中R為：

式中：B為煤柱寬度；h為煤柱高度。

開采區(qū)和巷道煤柱在邊緣上的應力相對于原始煤層上的應力可以是呈倍數(shù)的集中，煤柱邊緣抗壓強度低，所以煤柱邊緣就會收到不同程度的損傷。開采空間和煤柱巷道之間有塑性區(qū)，此區(qū)可以變形，當煤柱兩側(cè)的這個塑性區(qū)互相貫通，煤柱就不再穩(wěn)定，就會出現(xiàn)崩塌等安全問題[1]。

針對東曲礦22108工作面采用上述公式的載荷估算法，代入?yún)?shù)值D=200 m，H=400 m，M=6.25 m，h=3.5 m，煤的單軸抗壓強度為11 MPa，采空區(qū)上覆巖層垮落角為30°，上覆巖層平均體積力為24 kN/m3。代入理論方程式，得B=17.9 m。又根據(jù)極限平衡理論，求得L0為5.3 m，B0為15.91 m，B為19.6 m。 綜合分析，巷道煤柱合理寬度取值20 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬分析

通過使用Itasca公司開發(fā)的FLAC3D數(shù)值模擬軟件和應用莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則分析不同煤柱寬度對于巖體變形、判斷巖體是否遭到破壞的影響并建立數(shù)值模型[2]。建模所取巖體力學參數(shù)見表1。

表1 煤礦力學參數(shù)

圖1 22108工作面下的數(shù)學計算力學模型

圖2 不同煤柱寬度下形變量模擬

模擬實驗結(jié)果證明，當煤柱寬度較小時，約在10 m左右，煤柱兩側(cè)與巷道之間的塑性形變區(qū)相互貫通，只有塑性區(qū)，而沒有彈性區(qū)，整個煤柱都將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但煤柱寬度增大的話，煤柱塑性區(qū)就開始縮小。煤柱寬度逐漸增大，增至20 m左右時，煤柱兩側(cè)與巷道之間約為8.9 m，巷道側(cè)寬度為2.83 m。逐漸開始出現(xiàn)彈性區(qū)，煤柱可以保持穩(wěn)定；煤柱寬度如果持續(xù)增加到30 m時，塑性區(qū)將不再變化，彈性區(qū)逐漸增大[3]。也就是當達到煤柱寬度的一定值后，煤柱會更加穩(wěn)定，有利于安全生產(chǎn)和巷道支護維護，但會損失煤炭資源。

由圖3可以看出，煤柱寬度與變形量的總體上趨勢是，當煤柱寬度逐漸增大時，巷道圍巖變形量即位移是呈逐漸減小的趨勢。煤柱寬度在10 m增至20 m時，變形量的減小是巨大的，相比較其他煤柱寬度的減小趨勢。而煤柱寬度大于20 m時，變形量的減小是愈加緩慢的。煤柱作用于兩幫的變形量，工作面附近巷道兩幫水平位移較大，隨著距離增大，變形量減少。煤柱寬度從3 m增至7 m的整個過程中，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增加而減??；煤柱尺寸從10 m增到20 m的整個過程中，巷道邊緣形變量逐漸減小。這說明20 m是煤柱寬度的一個臨界點，在20 m范圍內(nèi)增大煤柱寬度對巷道變形影響較小，而煤柱寬度小于20 m時巷道變形量隨著煤柱寬度增加急劇減小[4]。

圖3 不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形量

當煤柱寬度不斷增加時，垂直作用在煤柱上的應力逐漸增大，說明開采部分在煤柱寬度增大的條件下，承載能力也在逐步增強。煤柱邊緣的載荷減小，這部分重量減到煤柱上去了?？梢钥吹剑绻褐鶎挾冗_到特定值時，煤柱以及煤柱邊緣所承受的垂直應力大小基本相等，這時，煤柱以及煤柱邊緣所承受的應力都比較大。隨著煤柱寬度繼續(xù)增大，煤柱起了主要承力作用。當煤柱寬度較小時，煤柱承受垂直應力實際不大，垂直應力主要集中在煤柱邊緣，所以會出現(xiàn)位移形變的應該是出現(xiàn)在煤柱的邊緣，此時的煤柱的位移在應力下是最大的，大于其它煤柱寬度下的位移，所以造成的破壞是巨大的，不能保證巷道的安全，煤柱全然不能起支撐的作用。如果煤柱寬度大于此定值時，主要起支撐作用的是煤柱，所以煤柱不會完全被壓垮，此時若能及時采取適當措施，維護煤柱的穩(wěn)定，煤柱仍能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。所以如果煤柱寬度是中等寬度的話，煤柱就會受到很大的壓力，對穩(wěn)定性而言是很不利的；如果煤柱寬度較大，煤柱足以支撐使其保持穩(wěn)定，但造成煤炭損失就會比較大。綜合安全因素和經(jīng)濟因素考慮，建議煤柱寬度在20 m左右。

4 結(jié)語

通過東曲礦22108工作面的實際測量和應用FLAC3D模擬軟件對礦井土質(zhì)、巖石、巷道頂板和煤幫的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析，以及對綜放工作面巷道的合理布置進行研究，認為合理煤柱寬度為20 m，能夠有效保障煤柱巷道圍巖穩(wěn)定。東曲礦22108工作面煤柱寬度為20 m，實際觀測情況良好，對類似大斷面巷道的支護技術(shù)應用具有的理論和指導意義。

〔1〕賈光勝，康立軍.綜放開采采準巷道護巷煤柱穩(wěn)定性研究[J].煤炭學報，2002（1）.

〔2〕謝廣祥，楊 科，常聚才.煤柱寬度對巷道圍巖穩(wěn)定性影響分析[J].地下空間與工程學報，2009（5）.

〔3〕戴 晉.軟厚煤層大斷面巷道保護煤柱尺寸留設(shè)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2014（5）.

〔4〕趙則龍，張 磊.淺埋大采高工作面區(qū)段煤柱下合理留設(shè)寬度模擬研究[J].華北科技學院學報，2014（11）.

〔5〕常聚才，謝廣祥，楊科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定[J].西安科技大學學報，2008（2）.