深部煤層合理煤柱留設尺寸理論研究

張文偉

(潞安環能股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046200)

隨著國家對資源需求的日漸增長，煤炭作為主要能源，已從過去的淺部開采逐漸轉入深部開采。深部開采時，在高應力作用下，深部巷道圍巖變形較淺部更加劇烈，易出現大變形而失穩[1-2]，在實際生產中，礦井通常利用現場經驗留設煤柱尺寸，導致煤柱尺寸留設寬度不合理，造成資源浪費，而且煤柱過寬使得煤柱內部應力集中現象嚴重，巷道圍巖變形劇烈，甚至造成失穩，因此留設合理煤柱寬度，不僅能夠提高資源利用率，而且能夠有效提高煤柱承載能力，提高巷道整體的穩定性[3]. 常村礦2105工作面由于工作面間煤柱尺寸留設較大，造成煤柱內部應力集中，使得巷道應力變形嚴重，因此在該礦地質條件基礎上進行合理煤柱的尺寸留設研究，最終確定合理煤柱寬度，為工作面留煤柱沿空掘巷提供理論依據。

1 工程概況

1.1 煤 層

常村礦所采3#煤層位于山西組的中、下部，煤層賦存穩定。該工作面平均煤層厚度5.85 m，煤層傾角0～7°，煤體容重1.4 t/m3，煤層普氏硬度0.4.

1.2 工作面

2105工作面位山西大川中天煤化工有限公司、老軍莊東部，長治果樹場南場西部。地面標高為+935.1～+941.4 m，工作面標高為+420.6～+485.1 m，埋藏深度為453.2～517.7 m，巷道窄煤柱留設5 m.

2 煤柱留設尺寸極限平衡區理論研究

上區段工作面開采后，側向煤體支承應力峰值向深部轉移，通過留設較大寬度的煤柱控制巷道圍巖變形，因此基于大煤體應力分布規律，建立煤柱極限平衡區力學模型，見圖1.

通過理論計算分析，最終確定式(1)所示的煤柱兩側極限平衡區理論計算公式[4]：

其中，煤柱位于巷道上側方的極限平衡區寬度為：

(1)

煤柱位于巷道下側方的煤柱極限平衡區寬度為：

(2)

式中：

m—工作面采高，m；

α—煤層傾角，(°)；

A—側壓系數；

K—應力集中系數；

γ—上覆巖層平均體積力，MN/m3；

H—巷道埋深，m；

φ0—煤體內摩擦角，(°)；

C0—煤體內聚力，MPa；

Px—上區段工作面巷道煤幫的支護阻力，MPa.

圖1 煤柱極限平衡區力學模型圖

3 煤柱留設尺寸彈性區理論研究

為保證煤柱有效承載和穩定性，護巷煤柱內部除塑性區范圍外，還需要包含一定范圍的彈性區，因此建立煤柱中部彈性區支承應力力學模型，見圖2.

圖2 煤柱中部彈性區支承應力力學模型圖

基于圖2所示力學模型，假設計算煤柱內部彈性區兩側的寬度分別為L1和L2，則煤柱位于巷道上側方的極限平衡區寬度為[5]：

L1=

(3)

煤柱位于巷道下側方的煤柱極限平衡區寬度為：

L2=

(4)

式(3)和式(4)中：

(5)

式中：

k1—煤柱內巷道上側方的彈塑性區交界處應力集中系數；

k2—煤柱內巷道下側方的彈塑性區交界處應力集中系數。

4 煤柱留設尺寸確定

基于彈塑性力學理論和極限平衡區理論，設計煤柱寬度B范圍，見圖3.

圖3 護巷煤柱寬度圖

因此，護巷煤柱寬度為：

B=X1+X2+L1+L2

(6)

由式(1)—(5)可得：

基于現場地質數據，取m=5.85 m，α=5°，γ=0.25 MN/m3，H=485.5 m，同時，基于巖石力學實驗和礦壓數據監測得出：C0=3.0 MPa，A=0.3，Px=0.4 MPa，φ0=32°，k1=K1=2.1，k2=K2=2.3，由此計算可得：

x1=4.29 m，x2=4.45 m，L1=2.46 m，L2=2.67 m；B=x1+x2+L1+L2

因此，計算的窄煤柱最小理論寬度B=13.87 m.

5 煤柱尺寸模擬研究

基于煤柱理論尺寸，制定8 m，11 m和14 m煤柱模擬方案進行煤柱穩定性驗證，由于模型位移和應力對現場煤柱真實變形反映有限，因此模擬主要基于煤柱塑性區破壞模擬，模擬結果見圖4.

由計算結論可知，煤柱兩側破碎區之和為8.74 m，結合圖4a)可知，當煤柱寬度為8 m時，煤柱已發生破壞，此時煤柱承載能力急劇下降，無法保證巷道的穩定性；當煤柱寬度為11 m時，由圖4b)可知，煤柱內部存在部分塑性區，煤柱承載能力較8 m煤柱增強，自身穩定性增強；當煤柱增大到14 m時，煤柱內部彈性區范圍繼續增大，煤柱完整性進一步提高，進一步提高巷道圍巖控制能力。

圖4 不同方案窄煤柱塑性區分布圖

結合煤柱理論計算范圍和煤柱模擬結果，最終確定煤柱寬度為14 m.

6 結 論

本文基于常村礦2105工作面的實際地質條件，對相鄰區段巷道煤柱留設尺寸進行分析研究，通過計算分析得煤柱理論寬度B=13.87 m，然后結合數值模擬，確定煤柱最終寬度為14 m. 該結論可為安全生產、巷道維護提供理論依據。