固定載荷下煤巖流變對煤柱設計的影響研究

孫曉棟

摘 要：針對巷道開挖后保護煤柱隨時間變遷強度持續降低的現象，以米籮礦3213工作面回采巷道保護煤柱為研究對象。采取工程地質調查、理論分析等手段。分析了固載狀態煤巖體流變破壞機理，提出新型巷道煤柱設計方式。工程實踐研究表明：根據煤柱流變趨勢設計保護煤柱既能極大提高巷道安全性同時減少煤柱的損失。

關鍵詞：巖石流變;流變特性;非線性;煤柱設計;長期強度;

1 引 言

在煤炭開采過程中，為保證巷道通風，運輸安全通常會設置一定寬度的保護煤柱。隨著巷道服務的年限的增長，保護煤柱會設計得越來越寬。這種設計考慮到頂板下沉等其他因素，還可以表明時間的變化對煤柱的強度有較強的影響，即保護煤柱的強度會隨時間推移而逐漸降低。

本文基于米籮礦3213工作面回采巷道為工程研究背景，對由于煤柱流變造成頂板下降，支撐壓力升高巷道圍巖破壞變性進行研究。提出根據巷道使用年限合理設計煤柱寬度，在減少煤柱損失的同時提高巷道的安全性。

2 概 況

巖石流變在煤柱支護中的理論研究

巖石在形成過程中由于各種原因會形成諸如氣泡、節理以及發育裂隙等組織結構，使其在長期受壓過程中會發生微弱變形，尤其是軟弱巖體以及泥沙填充物和夾層破碎帶蠕變性質更為顯著[1]。

2.1 物理模型的建立

根據煤巖體在載荷σ1>σ2>σ3>┄>σ7

的實驗基礎上，繪制非線性蠕變的曲線。以此來確定每條曲線達到破壞前的應變值ε所經歷的時間，如圖一所示。以縱坐標表示煤巖體所受應力σ，橫坐標表示到達破壞前所經歷的時間t，作煤巖體在固載狀態下，強度隨時間變化曲線圖，以此來確立煤巖體長期強度，如圖2所示。

根據長期強度曲線圖，可用指數型經驗方程表示

公式中為由實驗確定的經驗常數，本式中取值為0.1。

2.2 煤柱設計公式的確立

根據拋物線型強度準則理論[6]，最小煤柱的寬度計算公式為：

式中：A，B分別為拋物線型Mohr強度公式的參數。d為采動影響因子，取值一般為1.5～3.0。M為煤層厚度，m;為煤柱塑性流變強度，Mpa;為約束應力，Mpa;Px為支護強度，Mpa;

將置換為σt同時不考慮人為支護，即px為0。煤柱設計寬度為：

3 工程實踐

水城礦業集團米籮礦83-1煤層302盤區4108巷道3213工作面回采巷道設計長度為1024m，煤層厚度大，其間又常夾透鏡狀的厚煤層而形成一含煤富集帶。上距65煤層112.5～57.6m，一般72m。煤層厚度大且穩定，為4.14～0.71m，一般厚度為2.14m。全區可采，是煤層系中厚度最大的煤層，其厚度有沿傾向增大的趨勢。煤層結構較復雜，煤層含有1～5層夾矸，一般都含有2～4層夾矸，其中有兩層為高嶺石泥巖，分布在中上部。屬穩定的全區可采煤層。煤層頂底板均以碳質粘土巖為主。

煤層中的高嶺石泥巖夾矸及由這兩層夾矸把煤層分成：下分層厚度最大，上分層次之，中分層最小的典型而穩定的結構，是確定該煤層的可靠依據。煤層厚度大，頂板厚度大，頂板粉砂巖泥巖（厚度一般大于10m）夾豐富的薄層狀菱鐵礦結核（通稱“排骨層”）也是該煤層的對比標志之一。

根據當地地質條件和實驗室煤巖力學實驗結果得出煤柱相關力學參數。將數據帶入公式進行計算，同時考慮米籮礦三軟地質條件和普采工程技術，安全系數設置為2.5，采動系數數設為1.9。可得煤柱設計寬度為2.62m。

3213工作面回采巷道采用如上煤柱設計方法，通過后期6個月的位移監測表明在受到長期地應力和煤層采動力影響下：巷道頂底板、兩幫的位移量少量增加。頂板最大位移量為108mm，兩幫最大位移量為78mm，均在安全范圍內。煤柱設計寬度為2.62m較原來減少0.38m，煤炭增產1207.5t，取得了較好的經濟效果。實踐證明使用新式煤柱設計法，巷道支護效果較好，經濟效益明顯，為礦區的礦區可持續發展創造了良好的條件。

4 結論

基于巖石流變理論對煤巖體在固定載荷下隨時間破壞基理進行描述，建立煤巖體流變破壞力學模型。結合當地地質條件，進行物理相似模擬并推導出相應的煤柱寬度設計公式。

通過對米籮礦3213工作面回采巷道6個月后期位移監測表明：在受到持續地應力和煤層采動力影響下，巷道頂板最大位移量為108mm，兩幫最大位移量為78mm，均在安全范圍內。這表明本文所建立的煤巖體流變力學模型、煤柱設計公式推導比較合理。

煤巖體在不同載荷下強度隨時間變化曲線表明，在固定載荷下煤巖體強度隨時間呈指數型下降，最后逐漸趨于平緩達到煤巖體長期強度值。根據煤巖體強度變化趨勢和巷道使用要求合理設計出來的煤柱寬度可以在確保巷道安全性的同時最大限度的降低煤巖損失，同時也為今后類似情況下煤柱合理寬度的設計提供了借鑒。

參考文獻

[1] 孫 鈞.巖石流變力學及其工程應用研究的若干進展[J].巖石力學與工程學報，2007，26（6）：1081-1104.

[2] 孫 鈞，王貴軍.巖石流變力學研究的若干進展[C]//中國巖石力學與工程—世紀成就.南京：河海大學出版社，2004：123-146.