深部煤层合理煤柱留设尺寸理论研究
2018-10-30张文伟
张文伟
(潞安环能股份有限公司 常村煤矿，山西 长治 046200)
随着国家对资源需求的日渐增长，煤炭作为主要能源，已从过去的浅部开采逐渐转入深部开采。深部开采时，在高应力作用下，深部巷道围岩变形较浅部更加剧烈，易出现大变形而失稳[1-2]，在实际生产中，矿井通常利用现场经验留设煤柱尺寸，导致煤柱尺寸留设宽度不合理，造成资源浪费，而且煤柱过宽使得煤柱内部应力集中现象严重，巷道围岩变形剧烈，甚至造成失稳，因此留设合理煤柱宽度，不仅能够提高资源利用率，而且能够有效提高煤柱承载能力，提高巷道整体的稳定性[3]. 常村矿2105工作面由于工作面间煤柱尺寸留设较大，造成煤柱内部应力集中，使得巷道应力变形严重，因此在该矿地质条件基础上进行合理煤柱的尺寸留设研究，最终确定合理煤柱宽度，为工作面留煤柱沿空掘巷提供理论依据。
1 工程概况
1.1 煤 层
常村矿所采3#煤层位于山西组的中、下部，煤层赋存稳定。该工作面平均煤层厚度5.85 m，煤层倾角0～7°，煤体容重1.4 t/m3，煤层普氏硬度0.4.
1.2 工作面
2105工作面位山西大川中天煤化工有限公司、老军庄东部，长治果树场南场西部。地面标高为+935.1～+941.4 m，工作面标高为+420.6～+485.1 m，埋藏深度为453.2～517.7 m，巷道窄煤柱留设5 m.
2 煤柱留设尺寸极限平衡区理论研究
上区段工作面开采后，侧向煤体支承应力峰值向深部转移，通过留设较大宽度的煤柱控制巷道围岩变形，因此基于大煤体应力分布规律，建立煤柱极限平衡区力学模型，见图1.
通过理论计算分析，最终确定式(1)所示的煤柱两侧极限平衡区理论计算公式[4]：
其中，煤柱位于巷道上侧方的极限平衡区宽度为：
(1)
煤柱位于巷道下侧方的煤柱极限平衡区宽度为：
(2)
式中：
m—工作面采高，m；
α—煤层倾角，(°)；
A—侧压系数；
K—应力集中系数；
γ—上覆岩层平均体积力，MN/m3；
H—巷道埋深，m；
φ0—煤体内摩擦角，(°)；
C0—煤体内聚力，MPa；
Px—上区段工作面巷道煤帮的支护阻力，MPa.
图1 煤柱极限平衡区力学模型图
3 煤柱留设尺寸弹性区理论研究
为保证煤柱有效承载和稳定性，护巷煤柱内部除塑性区范围外，还需要包含一定范围的弹性区，因此建立煤柱中部弹性区支承应力力学模型，见图2.
图2 煤柱中部弹性区支承应力力学模型图
基于图2所示力学模型，假设计算煤柱内部弹性区两侧的宽度分别为L1和L2，则煤柱位于巷道上侧方的极限平衡区宽度为[5]：
L1=
(3)
煤柱位于巷道下侧方的煤柱极限平衡区宽度为：
L2=
(4)
式(3)和式(4)中：
(5)
式中：
k1—煤柱内巷道上侧方的弹塑性区交界处应力集中系数；
k2—煤柱内巷道下侧方的弹塑性区交界处应力集中系数。
4 煤柱留设尺寸确定
基于弹塑性力学理论和极限平衡区理论，设计煤柱宽度B范围，见图3.
图3 护巷煤柱宽度图
因此，护巷煤柱宽度为：
B=X1+X2+L1+L2
(6)
由式(1)—(5)可得：
基于现场地质数据，取m=5.85 m，α=5°，γ=0.25 MN/m3，H=485.5 m，同时，基于岩石力学实验和矿压数据监测得出：C0=3.0 MPa，A=0.3，Px=0.4 MPa，φ0=32°，k1=K1=2.1，k2=K2=2.3，由此计算可得：
x1=4.29 m，x2=4.45 m，L1=2.46 m，L2=2.67 m；B=x1+x2+L1+L2
因此，计算的窄煤柱最小理论宽度B=13.87 m.
5 煤柱尺寸模拟研究
基于煤柱理论尺寸，制定8 m，11 m和14 m煤柱模拟方案进行煤柱稳定性验证，由于模型位移和应力对现场煤柱真实变形反映有限，因此模拟主要基于煤柱塑性区破坏模拟，模拟结果见图4.
由计算结论可知，煤柱两侧破碎区之和为8.74 m，结合图4a)可知，当煤柱宽度为8 m时，煤柱已发生破坏，此时煤柱承载能力急剧下降，无法保证巷道的稳定性；当煤柱宽度为11 m时，由图4b)可知，煤柱内部存在部分塑性区，煤柱承载能力较8 m煤柱增强，自身稳定性增强；当煤柱增大到14 m时，煤柱内部弹性区范围继续增大，煤柱完整性进一步提高，进一步提高巷道围岩控制能力。
图4 不同方案窄煤柱塑性区分布图
结合煤柱理论计算范围和煤柱模拟结果，最终确定煤柱宽度为14 m.
6 结 论
本文基于常村矿2105工作面的实际地质条件，对相邻区段巷道煤柱留设尺寸进行分析研究，通过计算分析得煤柱理论宽度B=13.87 m，然后结合数值模拟，确定煤柱最终宽度为14 m. 该结论可为安全生产、巷道维护提供理论依据。
