非常规条带煤柱稳定性分析及其应用

郭爱国

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

条带开采是“三下”采煤领域比较成熟的方法之一，在国内外的建 (构)筑物压煤开采中已得到大量的应用，且取得了许多成功经验。实践表明，与全采相比，条带开采能较大幅度地减小地表的下沉与变形值，从而有效地保护地表建 (构)筑物［1］。条带开采方案设计需要确定最大采宽、最小留宽及采出率3个关键因素。确定煤柱留设宽度时，需要对煤柱的稳定性进行校核，保证煤柱具有长期强度支撑上覆岩层稳定，以满足地面建(构)筑物的保护要求。

1 非常规条带煤柱的含义及其特征

随着煤炭资源的逐渐减少，部分矿井已经进入边角煤开采阶段。由于边角煤大都面积较小且形状不规则，很难布置正规的大工作面。当边角煤上方地表有建筑物时，往往需要采用限制工作面开采宽度、减小煤层开采厚度、采用条带开采方案或者综合运用以上方法来控制地表移动与变形。这种情况下会产生非常规条带煤柱。所谓非常规条带煤柱是相对常规条带煤柱而言的。常规条带开采中，煤柱两侧开采宽度相同，煤层开采厚度也相同，而非常规条带煤柱两侧工作面的开采宽度和开采厚度等参数往往不同。非常规条带煤柱主要有以下特征:

(1)煤柱两侧开采宽度不等 在边角煤的开采中，有时候为了方便布置工作面或者临近老采空区，煤柱两侧的开采宽度可能不同。

(2)两侧开采厚度不等 当地质条件发生变化或者根据开采的需要限制开采厚度时，煤柱两侧的开采厚度也可能不同，比如煤柱的一侧采用限厚开采，另一侧采用全厚度开采。

2 非常规条带煤柱稳定性分析

2.1 煤柱稳定性分析基本理论

煤柱的稳定性取决于煤柱实际承受的载荷及其极限承载能力。在煤柱稳定性分析方面，应用较多的是Wilson强度理论。该理论认为在采空区一侧距煤壁0.3H处，采空区矸石承受γH的载荷，且在该处与煤壁之间应力按线性分布计算［2－6］。常规条带开采的采宽b，留宽a是确定的，此时，煤柱实际承受的载荷为:

该理论还认为煤柱两侧有宽度为0.00492mH的塑性区，塑性区内为核区。核区的承载能力为4γH，塑性区的承载能力从煤壁到核区呈线性增加。根据该理论，煤柱的极限承载能力为:

以上表述及公式中，a为留设煤柱的宽度;γ为覆岩的平均密度;m为煤层的开采厚度;H为开采深度。

条带煤柱的安全系数计算公式为:

一般而言，条带工作面用垮落法管理顶板且安全系数f＞1.5时，即可满足工程需要，保证煤柱的长期稳定。

2.2 非常规条带煤柱载荷及承载能力计算

当煤柱两侧的开采参数不同时，就需要根据实际情况，灵活运用Wilson强度理论进行煤柱稳定性校核与分析。煤柱两侧工作面开采宽度主要影响煤柱实际承受的载荷，煤柱两侧煤层开采厚度主要影响煤柱塑性区的发育宽度。为了对非常规条带煤柱的稳定性进行分析，不失一般性，假设需要校核的煤柱留设宽度为a，煤柱两侧开采宽度分别为b1和b2(b1，b2均小于0.6H)，相对应两侧的煤层开采厚度分别为m1和m2。依据Wilson强度理论，作出的非常规条带煤柱载荷和承载能力分析模型如图1所示。

图1 非常规条带煤柱载荷分析模型

由wilson强度理论可知，煤柱两侧塑性区宽度分别为0.00492m1H和0.00492m2H，塑性区的承载能力从煤壁到核区呈线性增加，故煤柱有效支撑宽度为a－0.00246(m1+m2)H，可以承担的极限载荷为:

同样，可以由公式 (3)求得煤柱安全系数f。

3 工程应用实例

山东某矿12采区第四系厚度161m，开采深度320～550m。上覆岩层以砂岩为主、兼有泥岩的中硬岩层。采区范围内于2002—2004年采用条带开采方式进行了建筑物下压煤的开采。条带开采方案为采50m，留80m，条带开采效果良好，有效地保护了地表建筑物。根据矿井生产需要，拟在1209工作面采空区北侧，沿已废弃的采区上山布置一个非充分采动工作面，以处理井下矸石。因开采区域上方有建筑物，要求设计的充填工作面不会引起临近的1209工作面采空区的活化并保证地表建筑物的正常使用。为此需要将设计工作面的开采宽度、开采厚度及其与1209工作面采空区之间的煤柱宽度进行确定。设计区域煤层平均埋藏深度500m，煤层厚度为8.7m，煤层倾角约20°。1209工作面推进长度为375m，工作面宽度为50m，工作面停采时间为2004年1月，1209工作面采空区距离采区上山70m。工作面位置关系见图2。

图2 工作面位置关系

为保证设计工作面为极不充分采动并确保留设煤柱的宽度足够支撑上覆岩层，确定工作面的开采宽度为30m，与1209工作面采空区间的煤柱留设宽度为40m。根据生产规划，煤层开采厚度按只开采顶分层 (采厚3m)和开采顶、底两个分层 (实际采厚6m，由于顶、底分层开采后，中间煤层垮落，对煤柱失去侧限作用，煤柱塑性区发育宽度应按采厚8.7m计算)进行考虑。

由于设计工作面采空区要处理矸石，充填的矸石虽然不能实现充分接顶以支撑上覆岩层，但增加了煤柱的侧向压力，提高了煤柱的支撑能力，故此处要求煤柱的安全系数大于1.2即可。以下分别对开采顶分层 (计算采厚3m)和开采顶、底两个分层 (计算采厚8.7m)2种方案的煤柱稳定性进行校核。将b1=30m，b2=50m，a=40m，m11=3m，m12=8.7m，m2=8.7m，γ =2.5t/m3，H=500m，分别代入公式 (4)、公式 (5)及公式 (3)，求得结果如下:当只开采顶分层时，煤柱稳定性系数f=1.33＞1.2，煤柱稳定性满足要求。当开采顶、底两个分层时，煤柱稳定性系数f=0.96＜1.2，煤柱稳定性不满足要求。所以，为了保证煤柱能长期有效支撑上覆岩层，设计工作面的开采厚度确定为3m，即只开采顶分层。

4 结论

(1)从Wilson强度理论的基本原理出发，得出非常规条带煤柱稳定性校核公式如下:煤柱实际载荷，煤柱极限承载能力P极=4γH[a－0.00246(m1+m2)H]，煤柱稳定性系数f=P极/P实。

(2)利用得出的非常规条带煤柱校核公式，结合具体工程实例，在保证煤柱长期稳定的前提下，对设计非充分采动工作面的开采厚度进行了确定。

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