常 博

（神華新疆能源有限責(zé)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(shè)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(fēng)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(shè)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。現(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(shù)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(shè)計生產(chǎn)能力120萬t／a，主要系統(tǒng)留設(shè)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(xué)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(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)，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(cè)或兩側(cè)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(cè)為采空區(qū)，一側(cè)為采準巷道。采空區(qū)和采準巷道在保護煤柱兩側(cè)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(cè)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(yīng)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(cè)和巷道側(cè)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(yīng)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(yīng)大于兩倍采高，即17.52 m。1192 工作面煤柱留設(shè)13m，導(dǎo)致留設(shè)煤柱寬度不夠，煤柱彈性核兩側(cè)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(cè)和巷道側(cè)塑性區(qū)寬度：1192工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度1.17m，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度5.43m；1193工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度0.98m，巷道側(cè)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(cè)煤體明顯向采空區(qū)傾斜。由于下部工作面開采結(jié)束后，留設(shè)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(fù)雜的巖層賦存情況，不考慮煤柱邊緣部分會產(chǎn)生應(yīng)力集中，以及由于采用上行開采導(dǎo)致煤柱邊緣部分破壞，而向采空區(qū)側(cè)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(shè)寬度方案定為20、25、30、35、40 m 共五種，并特別構(gòu)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(shè)計為原型構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(cè)還是在采空區(qū)側(cè)，垂直應(yīng)力峰值均出現(xiàn)下降。表1表明煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)隨煤柱寬度變化的關(guān)系。分析表明，加大煤柱寬度可以降低應(yīng)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(cè)應(yīng)力峰值基本處在2.5m 的深度，沿著煤柱傾向方向應(yīng)力急速減小，在5.0 m 深度達到最小，5m 之后至采空區(qū)側(cè)煤柱5m 外的范圍內(nèi)應(yīng)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(yīng)力變化較為急速。25、30、35 m 煤柱內(nèi)的應(yīng)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(yīng)力分布

表1 煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值與應(yīng)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(cè)和采空區(qū)側(cè)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(cè)，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(cè)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(cè)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(cè)減小不大，而25 m 煤柱與30 m 煤柱在巷道側(cè)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(jié)果，對不同寬度區(qū)段煤柱巷道側(cè)和采空區(qū)側(cè)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(cè)，還是采空區(qū)側(cè)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(cè)面積相同，但25m 煤柱在采空區(qū)側(cè)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(cè)穩(wěn)定，采用25m 和30m 煤柱寬度時，巷道側(cè)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(cè)和采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)深度分布特征

3.3 工作面超前支承應(yīng)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(yīng)力發(fā)生變化?，F(xiàn)場監(jiān)測煤（巖）體內(nèi)應(yīng)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(yīng)力分布特點，進行煤柱優(yōu)化設(shè)計，具有重要意義。鉆孔應(yīng)力計是常用的測量煤體與煤柱應(yīng)力變化的儀器。在1193工作面安裝鉆孔應(yīng)力計，進行煤柱護巷效果的監(jiān)測，以掌握煤柱側(cè)應(yīng)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(cè)壓力峰值稍滯后于煤壁側(cè)。在監(jiān)測期間，工作面回采過程中遇到斷層，從監(jiān)測的結(jié)果來看，煤壁側(cè)與煤柱側(cè)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(jié)果來看，靠近煤壁側(cè)的幫鼓量要大于靠近煤柱側(cè)的幫鼓量，這與1193工作面留設(shè)煤柱寬度較大，煤壁側(cè)巷道受動壓影響顯著有關(guān)。還可以看出，煤柱側(cè)壓力在20～37.5m 范圍內(nèi)基本呈下降趨勢，煤壁側(cè)的壓力沒有變化，生產(chǎn)期間，安裝在煤壁側(cè)的儀表損壞。綜合以上研究成果，可知1193工作面煤柱留設(shè)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(jié)論

采用巖石力學(xué)、礦山壓力控制等作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合FLAC3D等軟件數(shù)值模擬分析，以及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，確定了屯寶煤礦區(qū)段煤柱的合理寬度，并得出以下結(jié)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(yīng)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(cè)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(yīng)在25～30m。

綜合以上結(jié)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(shè)在25～30m 較為合適，在此范圍內(nèi)既能保證煤柱內(nèi)應(yīng)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?？紤]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。

［1］ 朱建明，馬中文.區(qū)段煤柱彈塑性寬度計算及其應(yīng)用 ［J］.金屬礦山，2011

［2］ 徐永圻.采礦學(xué) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［3］ 李洪，耿獻文，朱學(xué)軍.區(qū)段煤柱寬度的實測確定［J］.礦山壓力與頂板管理，2005 （1）

［4］ 田多，趙啟峰，李萬名等.采動應(yīng)力疊加影響下區(qū)段煤柱合理寬度研究 ［J］.煤礦安全，2012 （6）

［5］ 劉金海，姜福興，王乃國等.深井特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012 （5）

［6］ 孫學(xué)陽，夏玉成.采煤工作面內(nèi)及區(qū)段間煤柱寬度的理論計算 ［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2008 （1）

［7］ 楊科，王頌華，王樹全.綜放回采巷道護巷煤柱合理寬度分析 ［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006（增）

［8］ 康繼忠，樊少武，吳寶楊.綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度優(yōu)化研究 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012 （10）

［9］ 韓承強，張開智，徐小兵等.區(qū)段小煤柱破壞規(guī)律及合理尺寸研究 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2007（3）