非常規條帶煤柱穩定性分析及其應用

郭愛國

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

條帶開采是“三下”采煤領域比較成熟的方法之一，在國內外的建 (構)筑物壓煤開采中已得到大量的應用，且取得了許多成功經驗。實踐表明，與全采相比，條帶開采能較大幅度地減小地表的下沉與變形值，從而有效地保護地表建 (構)筑物［1］。條帶開采方案設計需要確定最大采寬、最小留寬及采出率3個關鍵因素。確定煤柱留設寬度時，需要對煤柱的穩定性進行校核，保證煤柱具有長期強度支撐上覆巖層穩定，以滿足地面建(構)筑物的保護要求。

1 非常規條帶煤柱的含義及其特征

隨著煤炭資源的逐漸減少，部分礦井已經進入邊角煤開采階段。由于邊角煤大都面積較小且形狀不規則，很難布置正規的大工作面。當邊角煤上方地表有建筑物時，往往需要采用限制工作面開采寬度、減小煤層開采厚度、采用條帶開采方案或者綜合運用以上方法來控制地表移動與變形。這種情況下會產生非常規條帶煤柱。所謂非常規條帶煤柱是相對常規條帶煤柱而言的。常規條帶開采中，煤柱兩側開采寬度相同，煤層開采厚度也相同，而非常規條帶煤柱兩側工作面的開采寬度和開采厚度等參數往往不同。非常規條帶煤柱主要有以下特征:

(1)煤柱兩側開采寬度不等 在邊角煤的開采中，有時候為了方便布置工作面或者臨近老采空區，煤柱兩側的開采寬度可能不同。

(2)兩側開采厚度不等 當地質條件發生變化或者根據開采的需要限制開采厚度時，煤柱兩側的開采厚度也可能不同，比如煤柱的一側采用限厚開采，另一側采用全厚度開采。

2 非常規條帶煤柱穩定性分析

2.1 煤柱穩定性分析基本理論

煤柱的穩定性取決于煤柱實際承受的載荷及其極限承載能力。在煤柱穩定性分析方面，應用較多的是Wilson強度理論。該理論認為在采空區一側距煤壁0.3H處，采空區矸石承受γH的載荷，且在該處與煤壁之間應力按線性分布計算［2－6］。常規條帶開采的采寬b，留寬a是確定的，此時，煤柱實際承受的載荷為:

該理論還認為煤柱兩側有寬度為0.00492mH的塑性區，塑性區內為核區。核區的承載能力為4γH，塑性區的承載能力從煤壁到核區呈線性增加。根據該理論，煤柱的極限承載能力為:

以上表述及公式中，a為留設煤柱的寬度;γ為覆巖的平均密度;m為煤層的開采厚度;H為開采深度。

條帶煤柱的安全系數計算公式為:

一般而言，條帶工作面用垮落法管理頂板且安全系數f＞1.5時，即可滿足工程需要，保證煤柱的長期穩定。

2.2 非常規條帶煤柱載荷及承載能力計算

當煤柱兩側的開采參數不同時，就需要根據實際情況，靈活運用Wilson強度理論進行煤柱穩定性校核與分析。煤柱兩側工作面開采寬度主要影響煤柱實際承受的載荷，煤柱兩側煤層開采厚度主要影響煤柱塑性區的發育寬度。為了對非常規條帶煤柱的穩定性進行分析，不失一般性，假設需要校核的煤柱留設寬度為a，煤柱兩側開采寬度分別為b1和b2(b1，b2均小于0.6H)，相對應兩側的煤層開采厚度分別為m1和m2。依據Wilson強度理論，作出的非常規條帶煤柱載荷和承載能力分析模型如圖1所示。

圖1 非常規條帶煤柱載荷分析模型

由wilson強度理論可知，煤柱兩側塑性區寬度分別為0.00492m1H和0.00492m2H，塑性區的承載能力從煤壁到核區呈線性增加，故煤柱有效支撐寬度為a－0.00246(m1+m2)H，可以承擔的極限載荷為:

同樣，可以由公式 (3)求得煤柱安全系數f。

3 工程應用實例

山東某礦12采區第四系厚度161m，開采深度320～550m。上覆巖層以砂巖為主、兼有泥巖的中硬巖層。采區范圍內于2002—2004年采用條帶開采方式進行了建筑物下壓煤的開采。條帶開采方案為采50m，留80m，條帶開采效果良好，有效地保護了地表建筑物。根據礦井生產需要，擬在1209工作面采空區北側，沿已廢棄的采區上山布置一個非充分采動工作面，以處理井下矸石。因開采區域上方有建筑物，要求設計的充填工作面不會引起臨近的1209工作面采空區的活化并保證地表建筑物的正常使用。為此需要將設計工作面的開采寬度、開采厚度及其與1209工作面采空區之間的煤柱寬度進行確定。設計區域煤層平均埋藏深度500m，煤層厚度為8.7m，煤層傾角約20°。1209工作面推進長度為375m，工作面寬度為50m，工作面停采時間為2004年1月，1209工作面采空區距離采區上山70m。工作面位置關系見圖2。

圖2 工作面位置關系

為保證設計工作面為極不充分采動并確保留設煤柱的寬度足夠支撐上覆巖層，確定工作面的開采寬度為30m，與1209工作面采空區間的煤柱留設寬度為40m。根據生產規劃，煤層開采厚度按只開采頂分層 (采厚3m)和開采頂、底兩個分層 (實際采厚6m，由于頂、底分層開采后，中間煤層垮落，對煤柱失去側限作用，煤柱塑性區發育寬度應按采厚8.7m計算)進行考慮。

由于設計工作面采空區要處理矸石，充填的矸石雖然不能實現充分接頂以支撐上覆巖層，但增加了煤柱的側向壓力，提高了煤柱的支撐能力，故此處要求煤柱的安全系數大于1.2即可。以下分別對開采頂分層 (計算采厚3m)和開采頂、底兩個分層 (計算采厚8.7m)2種方案的煤柱穩定性進行校核。將b1=30m，b2=50m，a=40m，m11=3m，m12=8.7m，m2=8.7m，γ =2.5t/m3，H=500m，分別代入公式 (4)、公式 (5)及公式 (3)，求得結果如下:當只開采頂分層時，煤柱穩定性系數f=1.33＞1.2，煤柱穩定性滿足要求。當開采頂、底兩個分層時，煤柱穩定性系數f=0.96＜1.2，煤柱穩定性不滿足要求。所以，為了保證煤柱能長期有效支撐上覆巖層，設計工作面的開采厚度確定為3m，即只開采頂分層。

4 結論

(1)從Wilson強度理論的基本原理出發，得出非常規條帶煤柱穩定性校核公式如下:煤柱實際載荷，煤柱極限承載能力P極=4γH[a－0.00246(m1+m2)H]，煤柱穩定性系數f=P極/P實。

(2)利用得出的非常規條帶煤柱校核公式，結合具體工程實例，在保證煤柱長期穩定的前提下，對設計非充分采動工作面的開采厚度進行了確定。

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