裴 治

（山西省大同市同煤集團王村煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概況

王村煤礦開采6 號煤層，煤層厚度為1.8～5.7m，傾角1°～3°，埋深100m。6201 和6202 工作面煤層厚度2.7m，兩工作面之間護巷煤柱寬度為20m。煤層直接頂為5.5m 砂質(zhì)泥巖，基本頂為20m 細砂巖。煤層直接底為3.4m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為7.60m的細砂巖。6202 工作面回風巷斷面為矩形，寬度5m，高度2.7m。頂板采用錨桿與錨索支護，煤幫不支護。6202 工作面回風巷在6201 工作面采動影響期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平?7mm，煤柱幫最大移近量24mm，巷道斷面收縮不明顯。在6202 回采期間，6202 工作面回風巷煤壁在超前支承應力作用下仍然保持完整，沒有明顯的鼓幫現(xiàn)象。6202 工作面回風巷經(jīng)歷兩個工作面回采，煤壁平整，沒有明顯的擠壓破壞現(xiàn)象，巷道兩幫變形不大，護巷煤柱寬高比超過7，煤層埋深僅100m，可以初步判斷煤柱寬高比過大，煤柱留設過于保守。

為了準確地獲取6 號煤體強度數(shù)據(jù)，對煤樣進行了強度測試，作為評價王村礦煤體強度和煤柱強度公式的依據(jù)。將煤體強度數(shù)據(jù)應用于數(shù)值模型中，分析工作面回采期間煤柱載荷變化規(guī)律。通過分析不同煤柱尺寸條件下煤柱強度和煤柱載荷之間的關系，給出煤柱合理尺寸。

2 煤樣單軸抗壓強度試驗

用王村煤礦井下工作面取出的大煤塊，加工成橫截面為正方形的煤樣。正方形邊長代表煤柱寬度，用w 表示，煤樣厚度代表煤柱高度，用h 表示。定義w/h 為煤柱寬高比。

2.1 試驗數(shù)據(jù)

煤樣邊長包含4 種，分別為150mm、100mm、80mm、50mm，寬高比（m/h）包含3 種，分別是1、2、3.5。本次試驗包含16 個煤樣，采用液壓試驗機（2000kN）和電液伺服試驗機（600kN）進行單軸加載試驗，獲取煤柱全應力應變曲線。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤樣試驗數(shù)據(jù)

2.2 煤體強度估算

本次試驗設計了4 種邊長的立方體（w/h=1），共8 個試件。按現(xiàn)有研究結(jié)論，隨著煤樣尺寸增加，煤樣強度降低。從本次試驗結(jié)果看，并沒有發(fā)現(xiàn)煤樣尺寸對強度有明顯的影響。通過對煤樣表面觀察，煤樣質(zhì)量存在顯著差異性，造成強度數(shù)據(jù)離散性大，掩蓋了煤樣尺寸對強度的影響規(guī)律。

根據(jù)8 個立方體煤樣（m/h=1）的單軸抗壓強度估算煤體強度，煤體強度通常遠遠低于實驗室測試的小煤樣強度。研究顯示當立方體煤樣的尺寸達到1.5m 以上時，單軸抗壓強度趨于穩(wěn)定，可以作為煤體強度進行煤柱設計。

不同尺寸的小煤樣強度可以折算成常數(shù)k，換算公式如下：

式中：

σc-實測單軸抗壓強度，psi（pa/in2）；

D-煤樣邊長，m。

小煤樣的強度可以通過常數(shù)k 換算成大煤樣強度或煤體強度，用σ1表示，單位為MPa，換算公式如下：

式中：

h-現(xiàn)場煤柱設計高度，m。如果煤柱高度h＞36m，取h=36。

按照上述換算公式對8 個立方體煤樣進行了強度換算，見表2。

根據(jù)8 個立方體煤樣換算得到的煤體強度σ1，取其算術(shù)平均值8.2MPa 作為王村煤礦煤體強度，8個立方體煤樣峰值強度平均值為25.8MPa，王村煤礦小煤樣強度和煤體強度的比值為25.8/8.2=3.15。

表2 立方體煤樣與煤體強度換算關系

根據(jù)世界各地的煤樣測試結(jié)果，k 值范圍介于1640～10600 之間，據(jù)此估算煤體強度介于1.9～12MPa 之間。在實際煤柱設計中，煤體強度取值多數(shù)介于6～8MPa 之間。王村煤礦的煤體強度屬于偏高的范圍。

2.3 煤柱強度

試驗設計了3 種寬高比（m/h），分別是1、2、3.5，按照寬高比（m/h）進行峰值強度數(shù)據(jù)分析，對相同寬高比的煤樣強度取平均值。從表中可以看出，隨著寬高比（w/h）增加，煤樣的平均峰值強度顯著增加。

從寬高比（m/h）與峰值強度（σmax）的點陣關系，進行了線性擬合，可得以下公式：

公式（3）表示實驗室煤樣強度與寬度比的關系，為了將其應用于實際的煤柱設計，還需要將其轉(zhuǎn)換成煤柱強度與煤體強度的關系。王村煤礦小煤樣強度和煤體強度的比值為3.15，可以將σp=σmax/3.15 作為對應的現(xiàn)場煤柱強度，并將王村煤礦的煤體強度n=8.2 作為常系數(shù)，這樣就轉(zhuǎn)化為可以應用于現(xiàn)場的煤柱公式：

3 煤柱尺寸優(yōu)化設計

3.1 煤柱載荷數(shù)值計算方法

數(shù)值模型高度取120m，其中煤層以上為100m，以下為20m，模型上邊界為地表自由面，下邊界固定。模型寬度取350m，一側(cè)以采空區(qū)中心作為邊界，采用水平位移約束條件，表示采空區(qū)位移呈中心對稱分布；另一側(cè)為遠端邊界，離采空區(qū)達250m，不受采動影響，采用水平位移約束條件。分別模擬了護巷煤柱為20m、12m、8m 三種情況下的垂直應力分布。數(shù)值模型采用的巖層參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模型采用的巖層參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

從3 種護巷煤柱尺寸形成的應力分布圖可知水平坐標負值表示進入采空區(qū)內(nèi)部的深度，水平坐標正值表示煤柱和實體煤區(qū)城。20m 煤柱時，煤柱應力峰值靠近采空區(qū)側(cè)；12m 煤柱時，煤柱應力呈現(xiàn)雙峰值區(qū)，分別出現(xiàn)在采空區(qū)外側(cè)和留巷邊緣；8m煤柱時，煤柱在留巷邊緣形成應力值，這說明隨著護巷煤柱尺寸的減少，留巷圍巖應力逐漸升高。

根據(jù)圖中統(tǒng)計了單側(cè)工作面回采不同煤柱寬度時煤柱載荷和安全系數(shù)，見表4，表中煤柱載荷和采空區(qū)應力均為平均值。

表4 單側(cè)回采煤柱載荷和安全系數(shù)

由表中可以看出，不同煤柱尺寸條件下，采空區(qū)應力差異很小，可以忽略，但煤柱載荷（柱平均垂直應力）差別顯著。煤柱尺寸越大，煤柱載荷越小，安全系數(shù)越高。20m、12m、8m 煤柱的載荷分別為78MP、7.16MP、6.28MPa，安全系數(shù)分別為3.5、2.2、1.6。按照上述計算，僅考慮單側(cè)工作面回采，20m、12m、8m 煤柱強度均能滿足安全性要求，且有合理安全系數(shù)，能保證留巷成功?？紤]到一般情況下，護巷煤柱還要經(jīng)受第二個工作面超前壓力的影響，第二個工作面回采的超前力可以按第一工作面回采期間煤柱載荷增加值的0.7 倍計算；第二個工作面回采所形成側(cè)向支承壓力已經(jīng)超出煤柱服務期限，可以不考慮。因此雙側(cè)工作面回采情況下，煤柱載荷僅考慮第二個工作面回采超前階段煤柱總載荷，見表5。

表5 雙側(cè)回采超前階段煤柱載荷和安全系數(shù)

從表5 可以看到，20m 煤柱的安全系數(shù)超過2，偏高；12m 煤柱安全系數(shù)為1.5，對于護巷煤柱來說，屬于適中；8m 煤柱也能滿足強度要求，安全系數(shù)偏小。8m 煤柱寬高比為3，屬于小煤柱容易發(fā)生脆性破壞和整體失穩(wěn)，安全系數(shù)不宜過小。從計算結(jié)果，選擇12m 煤柱可以兼顧煤柱穩(wěn)定性和提高采出率的要求。

4 實踐應用分析

根據(jù)試驗結(jié)果，在王村煤礦6202 和6203 工作面之間布置12m 煤柱?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在靠近終采線附近，煤柱內(nèi)有若干未經(jīng)任何支護的倒車硐室，對煤柱造成破壞和削弱，在一次采動后，煤柱表面出現(xiàn)片落等脆性破壞現(xiàn)象。除此之外，經(jīng)過兩次采動影響后，尾巷煤柱側(cè)變形很小，12m 煤柱表面仍然保持較好。

5 結(jié)論

煤柱穩(wěn)定性分析是護巷煤柱設計的基礎，合理的煤柱尺寸需要在安全性和經(jīng)濟利益之間取得平衡。利用試驗數(shù)評估了煤體強度，擬合了煤柱強度公式，采用數(shù)值方法計算了煤柱載荷。研究發(fā)現(xiàn)12m 煤柱對王村煤礦6 號煤層是比較適合的，并在實際應用中得到驗證。