王村煤礦煤柱穩(wěn)定性和煤柱尺寸優(yōu)化研究

裴 治

（山西省大同市同煤集團(tuán)王村煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概況

王村煤礦開采6 號(hào)煤層，煤層厚度為1.8～5.7m，傾角1°～3°，埋深100m。6201 和6202 工作面煤層厚度2.7m，兩工作面之間護(hù)巷煤柱寬度為20m。煤層直接頂為5.5m 砂質(zhì)泥巖，基本頂為20m 細(xì)砂巖。煤層直接底為3.4m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為7.60m的細(xì)砂巖。6202 工作面回風(fēng)巷斷面為矩形，寬度5m，高度2.7m。頂板采用錨桿與錨索支護(hù)，煤幫不支護(hù)。6202 工作面回風(fēng)巷在6201 工作面采動(dòng)影響期間，巷道頂?shù)装遄畲笠平?7mm，煤柱幫最大移近量24mm，巷道斷面收縮不明顯。在6202 回采期間，6202 工作面回風(fēng)巷煤壁在超前支承應(yīng)力作用下仍然保持完整，沒(méi)有明顯的鼓幫現(xiàn)象。6202 工作面回風(fēng)巷經(jīng)歷兩個(gè)工作面回采，煤壁平整，沒(méi)有明顯的擠壓破壞現(xiàn)象，巷道兩幫變形不大，護(hù)巷煤柱寬高比超過(guò)7，煤層埋深僅100m，可以初步判斷煤柱寬高比過(guò)大，煤柱留設(shè)過(guò)于保守。

為了準(zhǔn)確地獲取6 號(hào)煤體強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)煤樣進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，作為評(píng)價(jià)王村礦煤體強(qiáng)度和煤柱強(qiáng)度公式的依據(jù)。將煤體強(qiáng)度數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)值模型中，分析工作面回采期間煤柱載荷變化規(guī)律。通過(guò)分析不同煤柱尺寸條件下煤柱強(qiáng)度和煤柱載荷之間的關(guān)系，給出煤柱合理尺寸。

2 煤樣單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

用王村煤礦井下工作面取出的大煤塊，加工成橫截面為正方形的煤樣。正方形邊長(zhǎng)代表煤柱寬度，用w 表示，煤樣厚度代表煤柱高度，用h 表示。定義w/h 為煤柱寬高比。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

煤樣邊長(zhǎng)包含4 種，分別為150mm、100mm、80mm、50mm，寬高比（m/h）包含3 種，分別是1、2、3.5。本次試驗(yàn)包含16 個(gè)煤樣，采用液壓試驗(yàn)機(jī)（2000kN）和電液伺服試驗(yàn)機(jī)（600kN）進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，獲取煤柱全應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 煤體強(qiáng)度估算

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 種邊長(zhǎng)的立方體（w/h=1），共8 個(gè)試件。按現(xiàn)有研究結(jié)論，隨著煤樣尺寸增加，煤樣強(qiáng)度降低。從本次試驗(yàn)結(jié)果看，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)煤樣尺寸對(duì)強(qiáng)度有明顯的影響。通過(guò)對(duì)煤樣表面觀察，煤樣質(zhì)量存在顯著差異性，造成強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散性大，掩蓋了煤樣尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

根據(jù)8 個(gè)立方體煤樣（m/h=1）的單軸抗壓強(qiáng)度估算煤體強(qiáng)度，煤體強(qiáng)度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的小煤樣強(qiáng)度。研究顯示當(dāng)立方體煤樣的尺寸達(dá)到1.5m 以上時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，可以作為煤體強(qiáng)度進(jìn)行煤柱設(shè)計(jì)。

不同尺寸的小煤樣強(qiáng)度可以折算成常數(shù)k，換算公式如下：

式中：

σc-實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度，psi（pa/in2）；

D-煤樣邊長(zhǎng)，m。

小煤樣的強(qiáng)度可以通過(guò)常數(shù)k 換算成大煤樣強(qiáng)度或煤體強(qiáng)度，用σ1表示，單位為MPa，換算公式如下：

式中：

h-現(xiàn)場(chǎng)煤柱設(shè)計(jì)高度，m。如果煤柱高度h＞36m，取h=36。

按照上述換算公式對(duì)8 個(gè)立方體煤樣進(jìn)行了強(qiáng)度換算，見表2。

根據(jù)8 個(gè)立方體煤樣換算得到的煤體強(qiáng)度σ1，取其算術(shù)平均值8.2MPa 作為王村煤礦煤體強(qiáng)度，8個(gè)立方體煤樣峰值強(qiáng)度平均值為25.8MPa，王村煤礦小煤樣強(qiáng)度和煤體強(qiáng)度的比值為25.8/8.2=3.15。

表2 立方體煤樣與煤體強(qiáng)度換算關(guān)系

根據(jù)世界各地的煤樣測(cè)試結(jié)果，k 值范圍介于1640～10600 之間，據(jù)此估算煤體強(qiáng)度介于1.9～12MPa 之間。在實(shí)際煤柱設(shè)計(jì)中，煤體強(qiáng)度取值多數(shù)介于6～8MPa 之間。王村煤礦的煤體強(qiáng)度屬于偏高的范圍。

2.3 煤柱強(qiáng)度

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3 種寬高比（m/h），分別是1、2、3.5，按照寬高比（m/h）進(jìn)行峰值強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析，對(duì)相同寬高比的煤樣強(qiáng)度取平均值。從表中可以看出，隨著寬高比（w/h）增加，煤樣的平均峰值強(qiáng)度顯著增加。

從寬高比（m/h）與峰值強(qiáng)度（σmax）的點(diǎn)陣關(guān)系，進(jìn)行了線性擬合，可得以下公式：

公式（3）表示實(shí)驗(yàn)室煤樣強(qiáng)度與寬度比的關(guān)系，為了將其應(yīng)用于實(shí)際的煤柱設(shè)計(jì)，還需要將其轉(zhuǎn)換成煤柱強(qiáng)度與煤體強(qiáng)度的關(guān)系。王村煤礦小煤樣強(qiáng)度和煤體強(qiáng)度的比值為3.15，可以將σp=σmax/3.15 作為對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)煤柱強(qiáng)度，并將王村煤礦的煤體強(qiáng)度n=8.2 作為常系數(shù)，這樣就轉(zhuǎn)化為可以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的煤柱公式：

3 煤柱尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 煤柱載荷數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值模型高度取120m，其中煤層以上為100m，以下為20m，模型上邊界為地表自由面，下邊界固定。模型寬度取350m，一側(cè)以采空區(qū)中心作為邊界，采用水平位移約束條件，表示采空區(qū)位移呈中心對(duì)稱分布；另一側(cè)為遠(yuǎn)端邊界，離采空區(qū)達(dá)250m，不受采動(dòng)影響，采用水平位移約束條件。分別模擬了護(hù)巷煤柱為20m、12m、8m 三種情況下的垂直應(yīng)力分布。數(shù)值模型采用的巖層參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模型采用的巖層參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

從3 種護(hù)巷煤柱尺寸形成的應(yīng)力分布圖可知水平坐標(biāo)負(fù)值表示進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部的深度，水平坐標(biāo)正值表示煤柱和實(shí)體煤區(qū)城。20m 煤柱時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值靠近采空區(qū)側(cè)；12m 煤柱時(shí)，煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)雙峰值區(qū)，分別出現(xiàn)在采空區(qū)外側(cè)和留巷邊緣；8m煤柱時(shí)，煤柱在留巷邊緣形成應(yīng)力值，這說(shuō)明隨著護(hù)巷煤柱尺寸的減少，留巷圍巖應(yīng)力逐漸升高。

根據(jù)圖中統(tǒng)計(jì)了單側(cè)工作面回采不同煤柱寬度時(shí)煤柱載荷和安全系數(shù)，見表4，表中煤柱載荷和采空區(qū)應(yīng)力均為平均值。

表4 單側(cè)回采煤柱載荷和安全系數(shù)

由表中可以看出，不同煤柱尺寸條件下，采空區(qū)應(yīng)力差異很小，可以忽略，但煤柱載荷（柱平均垂直應(yīng)力）差別顯著。煤柱尺寸越大，煤柱載荷越小，安全系數(shù)越高。20m、12m、8m 煤柱的載荷分別為78MP、7.16MP、6.28MPa，安全系數(shù)分別為3.5、2.2、1.6。按照上述計(jì)算，僅考慮單側(cè)工作面回采，20m、12m、8m 煤柱強(qiáng)度均能滿足安全性要求，且有合理安全系數(shù)，能保證留巷成功?？紤]到一般情況下，護(hù)巷煤柱還要經(jīng)受第二個(gè)工作面超前壓力的影響，第二個(gè)工作面回采的超前力可以按第一工作面回采期間煤柱載荷增加值的0.7 倍計(jì)算；第二個(gè)工作面回采所形成側(cè)向支承壓力已經(jīng)超出煤柱服務(wù)期限，可以不考慮。因此雙側(cè)工作面回采情況下，煤柱載荷僅考慮第二個(gè)工作面回采超前階段煤柱總載荷，見表5。

表5 雙側(cè)回采超前階段煤柱載荷和安全系數(shù)

從表5 可以看到，20m 煤柱的安全系數(shù)超過(guò)2，偏高；12m 煤柱安全系數(shù)為1.5，對(duì)于護(hù)巷煤柱來(lái)說(shuō)，屬于適中；8m 煤柱也能滿足強(qiáng)度要求，安全系數(shù)偏小。8m 煤柱寬高比為3，屬于小煤柱容易發(fā)生脆性破壞和整體失穩(wěn)，安全系數(shù)不宜過(guò)小。從計(jì)算結(jié)果，選擇12m 煤柱可以兼顧煤柱穩(wěn)定性和提高采出率的要求。

4 實(shí)踐應(yīng)用分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在王村煤礦6202 和6203 工作面之間布置12m 煤柱?，F(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在靠近終采線附近，煤柱內(nèi)有若干未經(jīng)任何支護(hù)的倒車硐室，對(duì)煤柱造成破壞和削弱，在一次采動(dòng)后，煤柱表面出現(xiàn)片落等脆性破壞現(xiàn)象。除此之外，經(jīng)過(guò)兩次采動(dòng)影響后，尾巷煤柱側(cè)變形很小，12m 煤柱表面仍然保持較好。

5 結(jié)論

煤柱穩(wěn)定性分析是護(hù)巷煤柱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，合理的煤柱尺寸需要在安全性和經(jīng)濟(jì)利益之間取得平衡。利用試驗(yàn)數(shù)評(píng)估了煤體強(qiáng)度，擬合了煤柱強(qiáng)度公式，采用數(shù)值方法計(jì)算了煤柱載荷。研究發(fā)現(xiàn)12m 煤柱對(duì)王村煤礦6 號(hào)煤層是比較適合的，并在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。