特殊条件对区段煤柱合理尺寸留设的影响分析

王瑞卿

(山西焦煤集团投资有限公司，山西 太原 030021)

贺西矿是汾西矿业集团的一座新建现代化矿井。地面位于山西省柳林县城东南12 km处，煤田属山西河东煤田中段井田面积16.16 km2。年产量为240万t。含煤地层是石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。水文地质条件简单;瓦斯等级为高瓦斯矿井;地质构造总体上为走向北西、倾向南西的单斜构造，地层倾角3°～5°，褶曲、断层均不发育，仅发现1条落差为9 m的正断层，其余为小于2 m的层间断层;煤层赋存稳定。可采煤层3#、4#层，两层同时进行开采。两层煤平均间距11.99 m，3#煤开采方式为走向长壁开采，4#煤开采方式为倾斜长壁开采。综合机械化采煤法采煤，全部跨落法管理顶板。针对贺西矿的特殊的环境和影响因素，在留设区段煤柱时，必须对这些影响因素进行分析。

1 特殊条件的影响

1.1 老顶岩层在区段煤柱处断裂位置的影响

上区段采空区老顶岩层在区段煤柱处的断裂位置分为两种，即位于区段煤柱煤壁之内的上方和区段煤柱煤壁之外即采空区的上方(见图1，图2)。当老顶岩层在区段煤柱煤壁之内的上方断裂时，岩块B的回转将对区段煤柱上侧边缘煤体的受力、变形状况产生很大的影响。上区段采空区老顶岩层在区段煤柱处的断裂位置，主要取决于直接顶的厚度、煤、直接顶、老顶的岩石力学性质以及老顶和其上载荷等因素。在多数情况下，断裂位置发生在煤壁之内上方。

分析贺西矿3#煤层、直接顶、老顶的岩性及其抗拉、抗压强度，根据以上理论，可以得出结论，该矿上区段采空区老顶岩层在区段煤柱处的断裂位置发生在煤壁之内的上方。因而，上采空区老顶岩块B的回转将对区段煤柱上侧边缘的受力、变形状况产生很大的影响，使区段煤柱上侧塑性变形区宽度增加，破环严重(见图1)。因此，在留设区段煤柱时，要使煤柱宽度加大。

图1 老顶岩层在区段煤柱处煤壁内断裂示意图

1.2 区段煤柱与顶底板形成的力学结构的影响

图2 老顶岩层在区段煤柱处煤壁外断裂示意图

上区段采空区老顶岩层断裂所形成的小结构对区段煤柱的稳定性有很大影响(见图3)。稳定的小结构，不仅具有自我支撑功能，而且可以支撑老顶上覆岩层，使区段煤柱免受来自右上方的侧压破坏。岩块B对小结构的稳定起关键作用，岩块B的稳定性服从滑落稳定条件回转变形稳定条件。上区段采空区上覆主关键岩层极易在区段煤柱右上侧形成梁式或拱式的大结构，稳定的大结构可以减小小结构上的载荷，保护小结构的稳定。

图3 老顶在区段煤柱上侧形成的稳定小结构示意图

分析贺西矿煤层及顶底板岩层柱状图，可以看出，3#煤层的上覆岩层不存在较坚硬且具有一定厚度、对岩体活动全部起控制作用的主关键层，因而上覆岩层无法形成大结构，不能有效保护小结构的安全和稳定。

由此，可以初步判断，老顶以上的岩层和老顶同步变形，施加在老顶断裂形成的小结构上的载荷是相当大的。

小结构关键岩块B保持稳定的两个条件:

1)S条件:

2)R条件:

取承载层的抗压强度，岩体的体积力，岩块间的摩擦因数，岩块断裂后回转角 (因为煤层厚只有1.91 m，而直接顶厚3.5 m，考虑直接顶垮落后的碎涨系数，岩块回转角取18°足够)，承载层厚度，而承载层所负载岩层厚度可以取的很大。由此可见，无论如何，上面两个条件都难以满足，小结构关键岩块B无法保持稳定，小结构必失稳。小结构的失稳使岩块B及其上岩层的部分重量压在区段煤柱上侧顶部，使上侧的塑性变形区进一步加宽，破坏更加严重(见图4)。因此，在留设区段煤柱尺寸时，要使煤柱宽度加大。

图4 老顶在区段煤柱上侧形成不稳定小结构示意图

1.3 软弱夹层对区段煤柱尺寸留设的影响

当接触面的摩擦系数和黏结力增大时，可增加煤柱顶底部两侧的约束力，使煤柱塑性区宽度减小，增加煤柱的强度和稳定性;反之，则使塑性区宽度增加，减小强度和稳定性。另外，煤柱与顶底板间界面无软夹层时，即摩擦和黏结力较大时，煤柱上、下两端呈水平压缩，实际上增加了煤柱围压，减小了塑性变形区宽度，增加了煤柱的强度和稳定性;而煤柱与顶底板间界面有软夹层时，即摩擦和黏结力较小时，煤柱上下两端部出现附加水平拉应力，减小了围压，增加了塑性变形区宽度，消弱了煤柱的强度。

分析贺西矿煤层及顶底板岩层柱状图，发现3#煤层顶部是1层厚度为0.2 m左右的页岩层，其松软、易冒落。区段煤柱与顶板岩层间的这一软弱夹层的存在，减小了区段煤柱与顶板岩层间的摩擦力和黏结力，实际上减小了煤柱上部的围压，在支承压力作用下使煤柱上部出现了附加水平拉应力，使区段煤柱上部塑性变形区宽度加宽，破坏严重，削弱了区段煤柱的强度和稳定性。因此，在留设区段煤柱尺寸时，应加大煤柱宽度。

1.4 地应力对区段煤柱尺寸留设的影响

通过对地应力及构造应力的分析可知，一个地区的地应力和构造应力严重影响煤柱受力状况，在煤柱受力分析时不可或缺。一般来说，当煤柱的长度方向和最大水平主应力方向一致、宽度方向和最小水平主应力方向一致时，可有效改善煤柱的受力状态，使煤柱塑性变形区宽度减小、破坏减小，提高煤柱的稳定性。

在贺西矿采用水压致裂法进行原岩应力测试，结果表明，最大水平主应力为8.13 MPa，与顺槽巷道前进方向夹角 36.3°，最小水平主应力为 4.54 MPa，铅直主应力为7.58 MPa，最大主应力为最大水平主应力。由于区段煤柱的长度方向和最大水平主应力方向夹角为36.3°，夹角较大，且最大水平主应力为最大主应力，数值明显很大，故区段煤柱在这种特殊的地应力作用下，塑性变形区宽度会增加，两侧破坏加大，使区段煤柱的稳定性和强度减小。因此，在留设区段煤柱尺寸时，要使煤柱宽度加大。

1.5 煤体节理、裂隙等弱面对煤柱尺寸留设的影响

分析节理、裂隙、断层等弱面对区段煤柱强度的影响，认为这些弱面是影响控制煤柱强度的主要因素，弱面存在使煤柱沿弱面发生压剪破坏，使煤柱强度显著降低，并在理论上得出了含弱面煤柱强度计算公式。

贺西矿3#煤层内生裂隙较发育，性脆，煤的抗拉强度、抗压强度、黏聚力、内摩擦角均较低。这些特点使煤柱强度降低，抗破坏能力减弱，在采掘动态影响和重复加载－卸载作用下，区段煤柱两侧塑性变形区宽度增加，破坏深度加大，稳定性降低。因此，在留设区段煤柱尺寸时，要使煤柱宽度加大。

1.6 特殊条件对区段煤柱尺寸留设的影响

在贺西矿，上采空区老顶岩层在区段煤柱处的断裂位置发生在煤壁之内的上方，区段煤柱与顶板上覆岩层不能形成稳定的大、小结构，煤柱与顶底板界面间存在软弱夹层，水平地应力较大且其方向不利煤柱稳定，煤体节理、裂隙等弱面较发育及煤的物理力学性能指标较低。这些因素的存在均减弱了煤柱的承载能力，不利于煤柱的稳定，在采、掘动态因素和重复加载－卸载作用下，使区段煤柱呈现出两侧塑性区宽度较宽，破坏深度较大等特点。在生产现场，表现为顺槽巷道煤柱侧炸帮严重;破坏深度较深，煤柱破损严重，不能起到有效的护巷作用;由于顺槽巷道两侧煤体深度破环，使顺槽巷实际宽度不断加大，大大超过设计宽度，从而使顺槽巷顶板严重下沉，甚至断裂和垮落，严重影响巷道正常使用。

2 工程实例分析

贺西矿3#煤层在回采过程中，顺槽巷道两侧煤体一直破坏严重，顶板下沉量大，护巷效果极差。尤其是区段煤柱的两侧塑性变形区宽度很大，破坏深度较深。一段时期，人们认为加大区段煤柱宽度，提高区段煤柱强度，可以解决上述问题。于是，区段煤柱宽度加大到现在采用的30 m，但护巷效果几乎没有改善。究其原因是没有认清问题的实质。本文认为:

1)加大煤柱宽度提高煤柱强度是可行的，但有一个范围，现场和试验均证明:煤柱宽高比大于8时，煤柱强度不再随宽高比的增加而增加。

2)贺西矿3#煤层区段煤柱两侧塑性变形区宽度大、破坏深度较深、护巷效果差、顶板下沉量大、顺槽巷道难以维护等问题的出现，是该矿上述几方面固有的特殊条件在区段煤柱上的综合反映，不是由于区段煤柱宽度小造成的，因而不是加大区段煤柱宽度就可以解决的。

3)在贺西矿特殊条件下，不同宽度的区段煤柱两侧塑性变形区的宽度是相同的，因而可认为不同宽度的区段煤柱两侧的破坏深度亦相同。增加区段煤柱宽度，只会增加其弹性核区的宽度，并不会减小其两侧的塑性变形区宽度，因而其破坏深度也不会减小，煤柱护巷效果差的问题也不会解决。

4)解决贺西矿区段煤柱破坏严重、护巷效果差的问题，应该从“煤柱布置方向要和地应力状况相符”的角度和改变支护方式的角度去考虑。

5)贺西矿3#煤层现在采用的30 m宽的区段煤柱可以减小，适当减小宽度后的区段煤柱强度不会改变，稳定性不会变差，护巷效果不会恶化。

3 结论

综合以上分析，要解决贺西矿特殊条件对区段煤柱形成的负面效应，在研究区段煤柱合理尺寸时，留设宽度太小的煤柱显然是不可行的，区段煤柱宽度必须向加大的方向考虑，但加大必须有一个限度。这就要通过前面的理论计算和影响因素，综合进行优化分析确定。按照文中提出区段煤柱必须同时满足的三个方面的作用，即支撑作用、护巷作用和隔离作用。要满足支撑作用，就必须使煤柱有一定的支撑能力，并满足区段煤柱保持稳定的强度条件;要满足隔离作用，就必须使煤柱中部有一定宽度的临界弹性核，并满足区段煤柱保持稳定的宽度条件;要满足护巷作用，就要选择合适的支护方式(例如锚索护帮、喷浆封闭等)，使煤柱两侧的塑性变形区和破坏区降到最小。

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