区段煤柱的载荷与变形时间相关性及其规律

王金亮，赵建光

(大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司，山西大同037000)

长臂采煤法区段煤柱留设十分重要，涉及到节约资源和安全。一些矿井留设宽大煤柱，造成极大的浪费［1］。据统计，为护巷而留煤柱造成的资源损失占总储量损失的40%左右［2］。综放开采时，工作面外煤炭损失占采区总损失的61%，而仅区段煤柱损失量就占到总损失量的36.7%［3－5］。由于煤柱留设不合理，造成采面超前压力段变形严重、顶底板移近量增加，甚至造成压垮、顶板塌落、人员伤亡的事故时有发生，严重影响安全生产。要合理留设区段煤柱，必须认识煤柱，并研究其受力和变形机理。本文从区段煤柱形成到废弃的过程入手，分析其载荷与变形的时间相关性及其规律，对进一步研究区段煤柱变形和破坏机理，合理留设区段煤柱具有一定借鉴作用。

1 区段煤柱从形成到废弃的过程

1.1 区段煤柱从形成到废弃经历5个阶段

区段煤柱从形成到废弃是一个动态时间过程［6］，按其受采掘影响不同，经历了5个阶段(如图1所示)。Ⅰ阶段:煤柱形成阶段。煤柱位于上、下区段待采工作面邻近巷道之间;Ⅱ阶段:受上区段回采面采动及顶板运动影响阶段。煤柱下侧是下区段待采工作面巷道，上侧是上区段正回采的工作面;Ⅲ阶段:上区段回采工作面采动及顶板运动稳定阶段。煤柱下侧是下区段待采工作面巷道，上侧是上区段采空区;Ⅳ阶段:受下区段回采工作面采动及顶板运动影响阶段。煤柱下侧是下区段正回采的工作面，上侧是上区段采空区;Ⅴ阶段:下区段回采工作面采动及顶板运动稳定阶段。

图1 区段煤柱从形成到废弃的5个阶段

1.2 区段煤柱的5种类型

从以上5个阶段看，按煤柱两侧采掘环境和边界条件，区段煤柱分以下5种类型 (如图2所示):A型:巷道－巷道型;B型:巷道－回采面型; C型:巷道－采空区型;D型:回采面－采空区型; E型:采空区－采空区型。

2 区段煤柱载荷的时间相关性及规律

2.1 区段煤柱载荷的特殊性

区段煤柱受采、掘、顶板运动等动态因素影响大。不仅受巷道掘进影响，还受上、下工作面采动和顶板运动影响，受重复的加载－卸载作用，其受载荷作用是一个过程，受力状态和破坏过程复杂，所受动态载荷作用是井下所有煤柱中最严重和最复杂的。

2.2 载荷的时间相关性及规律

从5个阶段看，载荷对煤柱的作用和时间相关，即和上、下回采面形成及推进过程相关。第Ⅰ阶段A型煤柱，两侧只受到掘进引起的支承压力作用;第Ⅱ阶段B型煤柱，下侧受掘进引起的支承压力作用，上侧除受掘进引起的支承压力外、还受上区段工作面回采引起的超前支承压力 (移动支承压力)和顶板运动引起的侧向支承压力作用［7］;第Ⅲ阶段C型煤柱，下侧受掘进引起的支承压力作用，上侧受上区段采空区顶板活动稳定后的侧向支承压力作用;第Ⅳ阶段D型煤柱，下侧除受掘进引起的支承压力外、还受下区段工作面回采引起的超前支承压力 (移动支承压力)和顶板运动引起的侧向支承压力作用，上侧受上区段采空区顶板活动稳定后的侧向支承压力作用;第Ⅴ阶段E型煤柱，下侧受下区段采空区顶板活动稳定后侧向支承压力作用，上侧受上区段采空区顶板活动稳定后侧向支承压力作用。

图2 区段煤柱的5种类型

图3、图4是区段煤柱从形成到废弃上、下两侧载荷随时间变化曲线。从两图可看出，下区段工作面采动影响阶段载荷最大，即第Ⅳ阶段D型煤柱所受载荷最大。

图3 区段煤柱上侧载荷随时间的变化

3 区段煤柱变形的时间相关性及规律

3.1 5个阶段的变形量

Ⅰ阶段(A型):煤柱两侧变形是以下两者的叠加:一是巷道掘进开挖后对煤柱造成的扰动变形;二是掘进影响稳定以后，随时间发展的流变量(量很小)。

图4 区段煤柱下侧载荷随时间的变化

Ⅱ阶段(B型):煤柱下侧变形是以下三者的叠加:一是巷道掘进时的扰动变形;二是掘进影响稳定以后，随时间发展的流变量;三是上区段工作面采动及顶板运动对下侧造成的变形 (该变形和煤柱尺寸有关。尺寸较宽，则变形较小或为零;尺寸较窄，则变形较大)。区段煤柱上侧变形是以下三者的叠加:一是巷道掘进时的扰动变形;二是掘进影响稳定以后，随时间发展的流变量;三是上区段工作面采动及顶板运动造成的变形。

Ⅲ阶段(C型):煤柱下侧变形是以下四者的叠加:一是巷道掘进时的扰动变形;二是掘进影响稳定以后，随时间发展的流变量;三是上区段工作面采动影响及顶板运动对下侧造成的变形 (该变形和煤柱尺寸有关。尺寸较宽，则变形较小或为零;尺寸较窄，则变形较大);四是上区段工作面采动影响及顶板运动稳定后，下侧随时间发展的流变量。区段煤柱上侧变形是以下四者的叠加 (假设上区段采空区冒落矸石对上侧引起的挤压侧向变形不计):一是巷道掘进时的扰动变形;二是掘进影响稳定后，随时间发展的流变量;三是上区段工作面采动影响及顶板运动对上侧造成的变形;四是上区段工作面采动影响及顶板运动稳定以后，上侧随时间发展的流变量。

Ⅳ阶段(D型):煤柱下侧变形是以下五者的叠加:一是巷道掘进的扰动变形;二是掘进影响稳定后，随时间发展的流变量;三是上区段工作面采动影响对下侧造成的变形 (该变形和尺寸有关。尺寸较宽，则变形较小或为零;尺寸较窄，则变形较大);四是上区段工作面采动影响稳定后，下侧随时间发展的流变量;五是下区段工作面采动及顶板运动对下侧造成的变形。煤柱上侧变形是以下五者的叠加 (假设上区段采空区冒落矸石对上侧引起的挤压侧向变形不计):一是巷道掘进的扰动变形;二是掘进影响稳定后，随时间发展的流变量;三是上区段工作面采动影响及顶板运动造成的变形;四是上区段工作面采动影响及顶板运动稳定后，随时间发展的流变量;五是下区段工作面采动及顶板运动对上侧造成的变形 (该变形和煤柱尺寸有关。尺寸较宽，则变形较小或为零;尺寸较窄，则变形较大)。

Ⅴ阶段(E型):煤柱上、下侧分别是上、下区段采空区，各侧变形没意义。

3.2 变形的时间相关性及规律

据以上分析，其下侧和上侧变形总位移分别是:

式中，U1，U2分别为D型煤柱下侧、上侧变形总位移;U0为工作面运输巷掘进时扰动破坏引起的煤柱下侧位移，工作面回风巷掘进时扰动破坏引起的煤柱上侧位移，设二者相同;v0为煤柱下侧、上侧在掘进影响稳定以后的位移速度，设二者相同; t01，t02分别为煤柱下侧、上侧在掘进影响稳定至上区段工作面采动影响开始时的时间间隔;U12，U22分别为煤柱下侧、上侧在上区段工作面采动及顶板运动影响期内的位移;v12，v22分别为煤柱下侧、上侧在上区段工作面采动及顶板运动结束至下侧工作面采动影响开始期间的位移速度;t12，t22分别为煤柱下侧、上侧在上区段工作面采动影响及顶板运动结束至下区段工作面采动影响开始的时间间隔;U11，U21分别为煤柱下侧、上侧在下区段工作面采动影响期间的位移。

图5、图6是煤柱上侧、下侧的变形总位移及位移速度变化曲线。从两图可看出，下区段工作面采动影响阶段变形最大，即第Ⅳ阶段D型煤柱两侧变形最大。

4 最危险类型区段煤柱

图5 最危险类型煤柱上侧变形总位移及位移速度变化

图6 最危险类型煤柱下侧变形总位移及位移速度变化

由以上分析看出，区段煤柱在下区段工作面采动影响阶段载荷和变形最大，即第Ⅳ阶段D型煤柱载荷和变形最大，破坏最严重，定义为最危险类型区段煤柱。研究区段煤柱，就是研究最危险类型区段煤柱。如图7，把其分成两段:ab段已进入下区段采空区，最危险类型区段煤柱的稳定性，实质就是bc段的稳定性，即受下区段工作面超前移动支承压力影响范围内的一段区段煤柱的稳定性。

5 结论

(1)区段煤柱从形成到废弃是一个动态时间过程，经历5个阶段，形成了5种类型煤柱。所受载荷和变形不是静态不变的，是随时间不断变化和叠加的。

图7 危险型煤柱分段

(2)区段煤柱受两巷掘进、上下工作面回采、顶板来压及稳定等动态因素影响大，受重复加载－卸载作用，受动态载荷影响是井下煤柱中最严重的。载荷对煤柱作用和时间相关，即和回采面形成及推进相关。载荷不是单一的，不同阶段载荷大小和类型不同，载荷大小由作用在该阶段内采、掘、顶板运动产生的载荷叠加而成。区段煤柱第Ⅳ阶段D型煤柱所受载荷最大。

(3)区段煤柱变形是一个随时间变化的动态过程，变形不是单一的，不同阶段变形大小和类型不同，变形大小由作用在该阶段内采、掘、顶板运动产生的变形叠加而成。区段煤柱第Ⅳ阶段D型煤柱变形最大。

(4)区段煤柱第Ⅳ阶段D型煤柱所受载荷和变形最大，破坏最严重，是最危险类型区段煤柱。区段煤柱的稳定性，就是指最危险类型区段煤柱的稳定性，即受下区段工作面超前支承压力影响范围内的一段区段煤柱的稳定性。

［1］邓广哲.煤体致裂软化理论与应用［M］.西安:陕西科学出版社，2004.

［2］江万刚.综放面区段煤柱损伤变形规律研究［D］.西安:西安科技大学，2007.

［3］韩承强.不同区段煤柱巷道围岩结构及变形机理研究［D］.泰安:山东科技大学，2007.

［4］付聪杰.区段煤柱合理尺寸分析计算［J］.山东煤炭科技，2013(2).

［5］程秀洋.大倾角综放面区段煤柱合理参数研究［D］.泰安:山东科技大学，2004.

［6］赵建光.区段煤柱合理尺寸研究［D］.太原:太原理工大学，2009.

［7］徐永圻.采矿学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.