李承軍，秦慶舉，苗現(xiàn)華，劉 剛

(陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞市 721500)

目前，我國部分煤礦仍存在依靠經(jīng)驗來確定煤柱寬度，缺乏科學(xué)性和針對性。煤柱過窄，雖然能減少煤炭損失，但煤柱容易失穩(wěn)，不僅給巷道維護造成困難而且容易造成采空區(qū)漏風(fēng)、難以阻擋采空區(qū)積水且極有可能發(fā)生沖擊地壓。煤柱過寬，導(dǎo)致煤炭資源的浪費，且難以保證巷道處在支承壓力卸壓帶范圍內(nèi)。對于沖擊地壓礦井，受采掘影響，煤柱往往受到幾個方向集中應(yīng)力的疊加作用，導(dǎo)致煤柱附近易發(fā)生沖擊地壓[1-2]。因此，合理確定煤柱寬度，兼顧資源回采率、巷道穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益是本文研究的重點。

1 礦井概況及地質(zhì)特征

陜西某礦井設(shè)計生產(chǎn)能力2.4 Mt/a。首采區(qū)為一采區(qū)，北部以33西部采區(qū)北部3煤層尖滅線和+980 m水平開拓大巷為界，東部以32采區(qū)巷煤層南部尖滅線為界，南以34采區(qū)南部和33采區(qū)與37采區(qū)邊界為界，西以34采區(qū)下山和33采區(qū)與35采區(qū)邊界為界，面積約9.44 km2。一采區(qū)主采煤層為3煤層，厚度1.62～25.79 m，平均13.76 m，為特厚煤層，采用綜采放頂煤采煤方法。煤層為易自然發(fā)火煤層，并有煤塵爆炸危險性，礦井屬于高瓦斯礦井，地溫、地壓正常。3煤層頂板多為深灰色粉砂質(zhì)泥巖，厚度0.9～55.2 m，平均5.42 m，個別地段直接與第二段底部砂巖接觸；底板為灰黑色炭質(zhì)泥巖，厚度0.18～19.78 m，平均厚度1.16 m。

根據(jù)天地科技股份有限公司出具的《礦井沖擊危險性評價與防沖專項設(shè)計研究報告》，3煤層地質(zhì)技術(shù)條件評價的沖擊危險指數(shù)為0.42～0.62，具有弱與中等沖擊危險性。

2 存在問題分析

礦井原設(shè)計區(qū)段煤柱寬度為8 m，既沒有經(jīng)過科學(xué)合理計算，又沒有充分考慮地質(zhì)條件，只是根據(jù)煤柱留設(shè)經(jīng)驗值得出的結(jié)果。基于經(jīng)驗留設(shè)的窄煤柱，在下一個區(qū)段順槽掘進時由于高應(yīng)力作用，煤柱破裂導(dǎo)致錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，致使錨固力減弱，支護作用降低。而煤柱破裂又起不到隔離采空區(qū)的作用，對采空區(qū)漏風(fēng)供氧，引起煤炭自燃，導(dǎo)致采空區(qū)有害氣體滲漏到順槽，難以控制次生災(zāi)害發(fā)生。彬長礦區(qū)的水簾洞煤礦，地質(zhì)條件與該礦相似，曾進行區(qū)段窄煤柱現(xiàn)場工業(yè)性試驗，結(jié)果次生災(zāi)害頻發(fā)，礦井安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。

3 區(qū)段煤柱合理寬度的理論計算

回采與新開掘巷道在煤柱邊緣會出現(xiàn)數(shù)倍于γH的集中應(yīng)力，在煤柱兩側(cè)分別形成一個寬度為R0與R的塑性變形區(qū)。當(dāng)煤柱寬度B小于煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度R0與R之和時，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)相貫通，煤柱失去穩(wěn)定性，出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。因此，區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央?yún)^(qū)域仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，即在煤柱中央?yún)^(qū)域保持一定寬度的彈性核。大量現(xiàn)場實踐表明，彈性核的寬度不低于煤柱高度h的2倍，即B≥R0+2h+R。根據(jù)煤巷兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡理論[3-5]，煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度為：

B=R0+2h+R

(1)

式中,B為煤柱寬度，m；R0為上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；h為區(qū)段平巷高度，4 m；R為本區(qū)段采準(zhǔn)巷道在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度。

式(1)中，R0、R分別由式(2)、式(3)計算：

(2)

(3)

上述相關(guān)參數(shù)選取根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室在該礦+780 m北翼輔助運輸大巷頂板巖樣、煤樣及井底車場底板巖樣的力學(xué)性能測試結(jié)果而定。

經(jīng)計算，得出煤柱寬度B=26.3 m。

4 區(qū)段煤柱合理寬度的數(shù)值模擬研究

為了確定煤柱留設(shè)參數(shù)的合理性，利用FLAC建立模型，模擬不同區(qū)段煤柱寬度(4，6，8，9，10，11，13，15，17，19，22，25，29，33，37，41，45，50 m和55 m)時煤柱及其頂?shù)装逯械拇怪睉?yīng)力分布，從而最終確定區(qū)段煤柱留設(shè)參數(shù)。

圖1 部分不同煤柱寬度數(shù)值模擬云圖對比

根據(jù)不同煤柱寬度圍巖垂直應(yīng)力分布可知：當(dāng)煤柱寬度小于10 m時，煤柱位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，進入塑性狀態(tài)，所承受載荷較小，應(yīng)力峰值深部轉(zhuǎn)移(巷道側(cè))；當(dāng)煤柱寬度大于10 m以后，煤柱中應(yīng)力峰值迅速上升，并且開始形成彈性核，但此時的應(yīng)力集中系數(shù)與采空區(qū)所形成的應(yīng)力集中基本相當(dāng)；當(dāng)煤柱寬度達到20～25 m左右時，煤柱內(nèi)應(yīng)力達到最大值，應(yīng)力分布性狀為單峰值，表明此時采空區(qū)與巷道掘進所形成的應(yīng)力峰值相互疊加最為充分。隨著煤柱寬度的進一步加大，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布逐漸成馬鞍狀的不對稱雙峰分布，應(yīng)力集中程度相應(yīng)降低，且煤柱內(nèi)峰值應(yīng)力逐漸遠離巷道一側(cè)。

從礦壓防治角度，煤柱過小，起不到保護巷道的作用；煤柱超過一定寬度，造成局部應(yīng)力集中，在煤柱內(nèi)形成“沖擊核”，導(dǎo)致強礦壓顯現(xiàn)；煤柱太寬，煤炭資源回采率低。從防治水角度，區(qū)段煤柱應(yīng)能抵抗住來自采空區(qū)積水的水壓。從防滅火角度，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)能保證煤柱具有一定的完整性，可有效防止采空區(qū)漏風(fēng)，達到防火目的；而采用留設(shè)小煤柱護巷時，則需要加強防滅火措施。從防治沖擊地壓角度，根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)《首采區(qū)沖擊危險性評價及防沖專項設(shè)計研究報告》中的煤柱寬高比和承載特性關(guān)系，臨界煤柱的寬高比介于5～10之間，回采巷道高度設(shè)計為3.8 m，煤柱寬度的留設(shè)寬度宜小于11.4 m或大于38 m。

綜上，綜合安全、經(jīng)濟因素，寬度35 m左右的煤柱比較經(jīng)濟合理。

5 結(jié) 論

根據(jù)極限平衡理論計算，結(jié)合數(shù)值模擬分析及礦壓防治要求，同時考慮對次生災(zāi)害(防治水、防滅火、防治沖擊地壓)的控制，最終確定該礦井區(qū)段煤柱寬度為35 m左右。優(yōu)化后的區(qū)段煤柱參數(shù)可避開支承壓力峰值區(qū)，有利于下區(qū)段順槽巷道維護；同時可保證煤柱具有一定的完整性，減少煤炭破碎，控制瓦斯溢出、殘煤自燃、采空區(qū)水害及沖擊地壓等次生災(zāi)害發(fā)生，兼顧了資源回采率，有效保證了礦井安全生產(chǎn)。