护煤巷柱的研究与利用

2012-08-22胡秀明

科技视界 2012年27期

胡秀明

（西山煤电西铭矿党政办山西太原 030000）

1 概况及问题的提出

西曲矿2#煤层是优质主焦煤，属低硫低灰的优质资源，由于其赋存稳定，顶底板条件较好，生产能力大，其洗精煤受到国内外用户的青睐，具有广泛的市场。然而在生产过程中，煤柱的留设长期以来一直是凭经验确定，没有一个较为合理的确定方案，致使留设过小，巷道维护困难，给安全生产带来不利影响；留设过大，资源丢失量大，采区回收率难以提高，严重影响矿井的生产效率和经济效益。煤炭资源的不可再生性、稀缺性和短期内的不可替代性，决定了在煤炭生产过程中，煤炭开采的可持续发展的重要性，在大量投入人力、物力的情况下，尽可能的多出煤、出好煤，提高煤炭回收率。在我国统配煤矿中，每年巷道开掘总量约为8000km，其中回采巷道约占60%～65%。说明我国每年要沿煤层掘进4800km～5200km的回采巷道，开掘量大，地质条件复杂多变，对回采巷道护巷煤柱的研究，具有重要的现实意义。

无论是煤层开采前已开掘的巷道或者在护巷煤柱内布置巷道，煤柱宽度对煤柱的稳定性和巷道维护的影响主要表现在以下两方面：

一方面煤柱宽度决定了巷道与回采空间的距离，从而影响到回采引起的支承压力对巷道的影响程度及煤柱单位面积的载荷；

另一方面煤柱的极限承载能力，不仅取决于煤柱的边界条件和力学性质，还取决于煤柱的几何尺寸。煤柱周边的极限承载能力较低，且随着煤柱高度的增加而迅速降低。沿煤柱深部方向，极限承载能力显著增高。煤柱的宽度及其高宽比，对煤柱的极限承载能力有很大影响，从而影响到煤柱的稳定性和巷道的围岩变形。

到目前为止，我国高瓦斯矿井中，采用综合机械化采煤的回采工作面，其巷道布置形式一般采用两进一回或一进两回的通风方式，所掘三条巷道为轨道顺槽、皮带顺槽、尾巷。低瓦斯矿井有许多矿井由于没有在顺槽间留设合理的煤柱，一直困扰着生产的发展，严重威胁着矿井的正常生产，制约着机械化采煤工作面高产高效生产能力的正常发挥。而且还会造成回采巷道反复多次维修，翻修，不仅增加生产成本，甚至有些巷道不能再次利用，使矿井采掘比例严重失调，最终导致整个矿井不能正常生产。

巷道之间及巷道与回采工作面之间保留煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，近年来，我国的煤层巷道中，回采巷道、准备巷道和开拓巷道大都仍沿用煤柱护巷。

煤柱的稳定性取决于煤柱上的载荷、煤柱的宽度和形状，以及煤柱和围岩的力学性质。煤柱的载荷取决于开采深度和煤柱周围的采动状况。煤柱宽度对煤柱的稳定性和巷道维护的影响主要表现在：煤柱宽度决定了巷道与回采空间之间的距离，从而影响到回采引起的支承压力对巷道的影响程度及煤柱单位面积的载荷；煤柱的宽度及其高宽比，对煤柱的极限承载力有很大影响，从而影响到煤柱的稳定性和巷道的围岩变形。

煤柱是作为保护矿井巷道，控制岩层移动和矿井隔离的常规方法，煤柱稳定性是指在一定的时间内、在一定的地质力和工程力的作用下，煤柱由于应力重新分布而仅出现变形，但并不产生破坏性的垮落和滑动。因此，就煤矿生产和安全而言，煤柱的合理留设问题至关重要，煤柱尺寸留设过大，造成资源浪费，若留得过小，造成巷道多次破坏，多次维修，不仅使巷道维护费用增加，而且常常影响生产，甚至造成安全事故，因此煤柱宽度的合理确定与煤矿的生产、安全以及矿井经济效益紧密相关。

2 国内外研究现状

国内外确定护巷煤柱宽度的方法，主要有理论计算、经验估算及实测分析三种。各种理论计算的基本观点都认为煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷不超过煤柱的极限强度，使煤柱处于稳定状态。但缺乏对煤柱的稳定性与巷道维护之间的关系及其影响因素的阐述，国内外估算护巷煤柱宽度的经验公式，都以煤柱宽度为开采深度的主函数，对影响煤柱及巷道稳定性的其他重要因素都没有涉及。实测分析法通过井下实测得到各类巷道在不同的开采深度、围岩性质、采支状况及服务年限等条件下，巷道的围岩变形量（μ）与护巷煤柱宽度（Β）之间的关系。μ—Β关系式和曲线较全面地概括了影响巷道稳定性的基本因素，能直接反映不同煤柱宽度时巷道的维护效果，是目前选择煤柱宽度比较实用的方法[1]。

煤柱护巷的问题在我国应用较早，国内对此做了大量的研究工作，所取得的结论基本上是一致的，内容如下[2]：

1）沿空掘巷不仅在掘巷期间围岩强烈变形，而且在巷道掘出后仍保持较大速度的持续变形，这种变形要比完全沿空掘巷大；

2）认为巷道的压力主要来自煤柱一侧，破坏了的煤柱不仅对顶板起不到支护作用，相反，使巷道维护极为不利；

3）煤柱巷道中的煤柱可以改善巷道掘进条件，加快掘进速度以及隔离采空区，在防止矸石和采空区积水进入巷道方面是有利的。

国内外护巷煤柱宽度的理论计算方法有按煤柱的允许应力，煤柱能承受的极限载荷，以及按煤柱应力分布计算等多种。各种理论计算的基本观点都认为煤柱的载荷来自上覆岩层及采空区悬露岩层转移到煤柱上的重量，煤柱宽度必须保证煤柱的极限载荷不超过它的极限强度，使煤柱处于稳定状态[3]。

1）英国威特克（Wittaker）认为煤柱平均应力σ反映了煤柱的受力状态，凡作用于煤柱的平均应力达到煤柱的极限强度R时，煤柱就处于极限平衡状态，如公式1-1所示，此时求得的煤柱尺寸，应是煤柱的极限宽度。

煤柱的强度及其稳定性与煤柱的形状和尺寸有密切关系，威特克应用了沙拉蒙和穆尼奥的研究结果得出了如下公式：

其中式中：

P—煤柱上总载荷，kN；

δ—采空区上覆岩层垮落角，0；

γ—上覆岩层平均容重，KN/m3

R—宽度为B、高度为h的岩柱强度，Mpa；

Rc—边长1英尺的立方体岩柱的单轴抗压强度，Mpa；

B—煤柱宽度，m；

h—煤柱高度，m；

威特克认为煤柱上的应力是由煤柱上覆岩层重量及煤柱两侧采空区转移到煤柱上的部分悬垂岩层重量引起，此时煤柱宽度的计算公式为：

设某矿的 H=600m，h=5m，L=180m，δ=31°，γ=25kN/m2，代入上式，可求得煤柱的极限宽度B为85m，取安全系数为1.5，则得煤柱宽度为127.5m，显然用此方法计算所得的煤柱宽度过大，与现场实践不符。同时这种理论计算法缺乏对煤柱稳定性与巷道维护之间的关系及其影响因素的研究，难以广泛应用于各种地质和开采条件。

2）英国大多以煤柱宽度为开采深度的主要函数，即按上覆岩层重量作为选择煤柱宽度的依据。获得应用的经验公式为：

式中

B—煤柱宽度，ft；

H—矿井开采深度，ft。

该式折合成SI单位为：

3)在美国一些地区获得应用的经验公式为：

式中

M—煤柱高度，ft。

该式折合成SI单位为：

4）英国的Wilson根据现场调查和现场煤柱观测总结而提出了煤柱宽度的设计公式，把煤柱在宽度方向分成两个区，即中心承受三向应力，表现为弹性的煤柱核区和虽然出现了裂隙，但限制核区侧向移动的屈服区。

实践和理论都已表明，煤柱强度不仅与煤柱试块的单轴强度、煤柱长度、宽度和高度等有关，并且还与煤柱弱面、顶底板岩性和煤柱侧应力等围岩体系因素有密切关系。

若煤柱长、宽尺寸大，则相对的边界自由面小，因改变了煤柱内部受力状态，从而大幅度地提高了煤柱的承载能力。实践中，相同采出率条件下的条带煤柱较房柱煤柱稳定也证明了这一点。煤柱高度愈小，煤柱强度就愈大，稳定性就愈好；反之，煤柱强度和稳定性就差。Wilson提出的计算公式来源现场调查，煤柱宽度、高度等因素对煤柱的影响在公式中得到了体现，在每个实例计算中得到了证实。

Wilson条带煤柱宽度设计方程为：

式中

L1─煤柱宽度，m；

L2─采出宽度，m；

m─采高，m；

H─采深，m；

K─安全系数，取0.5。

3 研究内容

目前，我国煤矿生产中大都采用经验法确定煤柱的宽度，对生产缺乏指导意义，而煤柱的留设宽度与煤柱的强度、弱面情况、顶板岩性、采深、采高等诸因素有关，必须进行实地矿压观测及合理的理论才能确定。

实测分析方法则是通过实测得到各类巷道在不同地质开采条件下的围岩变形量及其与护巷煤柱宽度的关系，并以巷道的稳定性（围岩变形量，断面收缩率）作为衡量护巷煤柱宽度合理性的主要指标。受采动影响巷道的围岩变形量由采动期间的附加变形量和采动趋向稳定期间的围岩流变所组成。护巷煤柱宽度较小、服务期限较短的区段巷道，附加变形量占总变形量的比重较大，附加变形量基本上可以反映煤柱宽度与巷道维护的关系。对于服务期较长、煤柱宽度较大的主要巷道，采动影响期间的围岩流变量的比重较大，所以一般应以总变形量作为衡量煤柱宽度合理性的指标。