王莊煤礦條帶充填開采煤柱寬度設(shè)計的分析研究

朱鈺

（晉能集團生產(chǎn)技術(shù)部，山西太原030000）

1 引言

條帶開采是常用的特殊開采方法之一，主要是將煤體規(guī)則劃分，采留相間，達到控制地表發(fā)生不利變形的目的[1]。條帶開采依據(jù)布置形式與開采工藝上進行分類包括：水砂充填條帶、分層冒落條帶和不規(guī)則條帶等。盡管該開采方法的煤炭資源采出率低、資源浪費嚴重。但仍然是我國為了避免村莊搬遷的情況下回收村莊下部的煤炭資源而主要采取的減少地表沉降的采煤方法。因此在面臨此類開采需求的情況下，條帶開采在各大礦區(qū)均有一定的應(yīng)用。

2 工程概述

王莊煤業(yè)304 采區(qū)北部有一大塊段實體煤，采區(qū)上方受沙掌村、平家村保護煤柱的影響，無法布置長壁工作面開采，而又想充分回收這一塊煤炭資源，并把條帶開采后的巷道充填矸石加以利用，因此在304 采區(qū)布置了條帶開采工作面，該采區(qū)地表標高1 080 m～1 120 m，煤層底板標高950 m～990 m，平均埋深120 m，煤層平均厚度5 m，煤層為近水平煤層，煤層直接頂厚4.76 m，為泥巖、砂石泥巖，基本頂厚5.3 m，為中細粒砂巖，直接底厚2.63 m，為泥巖，基本底厚2.2 m，為砂質(zhì)泥巖，條帶開采采用連采機，開采條帶寬6.5 m，沿煤層頂?shù)装寰蜻M，采高5 m。

3 壓力拱計算最大開采條帶寬度

經(jīng)典壓力拱理論認為，井工開采過程中開采范圍上方會自然促使壓力拱結(jié)構(gòu)的形成，上方壓力拱承載結(jié)構(gòu)形成后拱上方巖層傳遞的載荷中很少一部分載荷分量會施加在回采工作面直接頂板上，其余部分的上方巖層載荷會通過壓力拱結(jié)構(gòu)內(nèi)下方回采工作面兩側(cè)實體煤拱腳間進行轉(zhuǎn)移，壓力承載拱的內(nèi)跨度LPA主要受回采工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)的厚度(井工開采回采工作面埋深H)的影響，壓力承載拱的外跨度LPB則受上覆巖層內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)的影響，如圖1所示。壓力拱的內(nèi)跨度LPA如公式（1）所示：

如果回采工作面寬度大于壓力拱的內(nèi)跨度LPA，則工作面煤層的載荷受力分布會變得比較復(fù)雜，其中壓力拱中的一個拱腳位置在待回采的實體煤上，另一個拱腳位置處于在采空區(qū)的垮落體上，此時壓力拱穩(wěn)定性較差，極容易受到垮落矸石的變形而導(dǎo)致壓力拱的失穩(wěn)，導(dǎo)致上覆承載結(jié)構(gòu)的破壞，發(fā)生大范圍的冒落。依據(jù)現(xiàn)有的國內(nèi)外條帶開采工藝的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，如果使用條帶開采技術(shù)來達到控制地表沉陷的目的，則兩開采條帶煤柱之間的工作面長度應(yīng)小于0.75LPA。根據(jù)王莊煤業(yè)304 采區(qū)巷道埋深未120 m，計算出最大開采條帶寬度不大于27.2 m。

圖1 壓力拱示意

4 煤柱極限寬度的確定

條帶開采后受到圍巖應(yīng)力重新分布的影響而形成應(yīng)力的集中，條帶煤柱的邊緣一定范圍內(nèi)承載上覆巖層載荷的能力降低，這個承載能力降低的范圍稱之為條帶煤柱的塑性區(qū)，塑性區(qū)向煤柱中心稱之為條帶煤柱的彈性核區(qū)[2]，如圖2所示。

圖2 煤柱受力劃區(qū)分布

條帶開采所留設(shè)煤柱的彈性核區(qū)內(nèi)范圍的煤體處于三向外部受力的狀態(tài)，由庫倫-摩爾準則(M-C準則)可從理論上計算得到留設(shè)的條帶煤柱的極限強度：

式中：c-條帶開采留設(shè)的條帶煤柱的內(nèi)部粘結(jié)力（MPa），基于巖石力學(xué)實驗取取值為0.7MPa；

φ-條帶開采留設(shè)的條帶煤柱的內(nèi)摩擦角（°），取值32°。

如圖2所示：在塑性區(qū)范圍內(nèi)可認為c=0，在彈性區(qū)和塑性區(qū)交界點，側(cè)向應(yīng)力σ3為

式中：k-側(cè)向壓力系數(shù)，與煤體泊松比有直接關(guān)系，且隨著垂直應(yīng)力的增大而增大，王莊煤業(yè)3號煤泊松比取值0.32，王莊煤礦研究區(qū)域側(cè)壓系數(shù)取值為0.47，回采工作面距地表的垂直深度取值120 m，回采工作面上覆巖層的平均容重為25 kN/m3。

按照經(jīng)典的巖體(煤體)極限強度原理，當條留設(shè)的帶煤柱所承受的上覆巖層傳遞的外部載荷超過煤柱內(nèi)部煤體的極限強度時，煤柱就會發(fā)生塑性繼而發(fā)生變形破壞。當條帶煤柱所承受的上覆巖層傳遞的外部載荷小于煤柱內(nèi)煤體的極限強度時，煤柱處于相對的穩(wěn)定狀態(tài)。在確定留設(shè)的條帶煤柱所能夠承受的外部載荷的極限值時可以借助有效支撐區(qū)域理論。有效支撐區(qū)域理論認為各條帶煤柱所承受的載荷分兩部分，其一為煤柱上覆巖層的載荷，剩下的為其相鄰煤柱共同承擔(dān)的采空區(qū)空間上部巖層所傳遞的外部載荷[3]。因此留設(shè)的條帶煤柱的實際有效的工作載荷是在煤柱有效支撐范圍內(nèi)的恒定載荷。通常條帶開采中采出煤體的條帶寬度較小，已回采空間內(nèi)一般只有直接頂失穩(wěn)產(chǎn)生的垮落體，直接頂上方的基本頂處于穩(wěn)定狀態(tài)未發(fā)生垮落。回采工作面已采空間冒落的矸石量較小而不能接頂，因此該區(qū)域內(nèi)垮落的矸石不能承受上方傳遞的外部載荷。可認為采出煤體寬度范圍內(nèi)上方巖層的重量發(fā)生了應(yīng)力轉(zhuǎn)移，均轉(zhuǎn)移到工作面兩側(cè)的條帶煤柱上。設(shè)采出煤體的條帶寬度為b(b=6.5 m)，回采工作面兩側(cè)條帶煤柱的設(shè)計寬度為a，因此留設(shè)的條帶煤柱上方巖層傳遞的載荷Pc為：

式中：γ-覆巖的平均容重，N/m3，

H-平均開采深度，m。當條帶煤柱所承載的外部載荷不大于煤柱內(nèi)煤體的強度，煤柱會保持穩(wěn)定或者極限穩(wěn)定。基于此，條帶煤柱留設(shè)的極限寬度為：

式中：

按照巖體(煤體)極限強度理論計算回采工作面兩側(cè)煤柱的設(shè)計寬度：根據(jù)計算當采深為120 m，設(shè)計開采的條帶寬度為6.5 m，保證煤柱不坍塌的最小保護煤柱寬度為4.37 m。

5 煤柱尺寸模擬分析

使用美國Itasca 公司開發(fā)的有限元分析軟件FLAC3D有限元分析軟件，基于王莊煤業(yè)已有生產(chǎn)經(jīng)驗和目前的生產(chǎn)狀況，設(shè)計條帶的寬度為6.5 m，在此基礎(chǔ)上借助FLAC3D有限元分析軟件分別模擬開采條帶寬度為6.5 m，高為5.0 m 時，留設(shè)的煤柱寬度分別為20 m、15 m、10 m、8 m、5 m時的煤柱中出現(xiàn)的塑性變形情況[4]，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同尺寸煤柱的塑性變形特征

由上圖所示，在同樣的開采條帶寬度下，留設(shè)煤柱寬度為20 m 時，巷道圍巖未出現(xiàn)任何塑性破壞區(qū)，15 m、10 m 時，巷道四角區(qū)域處出現(xiàn)輕微的塑性變形區(qū)，8 m 時四角塑性變形區(qū)開始增多，5 m 時，煤柱中出現(xiàn)了大片塑性變形區(qū)，煤柱中央有1 m的彈性區(qū)，煤柱接近坍塌，和上文計算最小煤柱寬度4.37 m 相符合。因此最佳的煤柱留設(shè)尺寸在6.0 m～7.0 m之間最合適。

6 結(jié)論

(1) 基于王莊煤業(yè)304 采區(qū)的地質(zhì)和巖石力學(xué)條件，依據(jù)壓力拱理論，為使地表不出現(xiàn)波浪式變形，最大的開采條帶寬度應(yīng)不大于27.2 m；

(2)根據(jù)公式計算和數(shù)值模擬結(jié)果綜合分析認為王莊煤業(yè)304采區(qū)內(nèi)當采條帶寬度為6.5 m時，煤柱最佳尺寸寬度在6.0 m～7.0 m之間。