孟家窯煤礦煤柱留設(shè)研究

武少鵬，翟英達

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024）

孟家窯煤礦煤柱留設(shè)研究

武少鵬，翟英達

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024）

以煤體一側(cè)和兩側(cè)采空后的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布理論為基礎(chǔ)，對孟家窯煤礦放水巷與211運輸順槽之間煤柱、2號煤層兩條下山大巷之間煤柱的留設(shè)問題進行了科學合理的設(shè)計，從而有效提高了礦井的回采率。

煤柱寬度；彈性核；穩(wěn)定性

山西潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司為整合礦井，由于經(jīng)過多年開采、煤炭資源已不豐富，最大限度地減少資源損失顯得尤為重要。孟家窯煤礦要在確保煤礦安全生產(chǎn)的前提下，科學合理地確定煤柱寬度，以減少煤柱損失量、提高礦井的回采率。

由于煤柱是起支撐作用的，煤柱尺寸的大小對巷道圍巖控制及其正常使用有很大影響。目前國內(nèi)外在煤柱設(shè)計時，主要考慮的因素有作用在煤柱上的載荷、煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布、煤柱強度、安全系數(shù)等，本文將以塑性煤柱理論為基礎(chǔ)對煤柱留設(shè)進行研究設(shè)計。

1 塑性煤柱理論

1.1 煤體一側(cè)采空后的彈塑性變形區(qū)域及其應(yīng)力垂直分布情況

高應(yīng)力作用下,從煤體（煤柱）邊緣到深部，首先是塑性區(qū)，且塑性區(qū)靠近采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力γH的部分稱為破裂區(qū)，繼續(xù)向煤體深部延伸為彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。見圖1。破裂區(qū)內(nèi)圍巖強度明顯降低，只能承受低于原巖應(yīng)力的載荷，故也稱為卸壓區(qū)或應(yīng)力降低區(qū)。塑性區(qū)承受著高于原巖應(yīng)力的載荷，它與應(yīng)力升高的彈性區(qū)合在一起，統(tǒng)稱為承載區(qū)或應(yīng)力增高區(qū)。塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界面是垂直應(yīng)力最高的地方。

1.2 煤體兩側(cè)采空后的彈塑性變形區(qū)域及其應(yīng)力垂直分布情況

當煤體的兩側(cè)均被采空時，其應(yīng)力分布狀態(tài)主要取決于回采所引起的支撐壓力影響距離L和煤柱寬度B。

1）當煤柱寬度較大時（2L＞B＞L），煤柱中央所受應(yīng)力由其兩側(cè)回采所引起的支承壓力疊加而成；因煤柱較寬，煤柱中部的應(yīng)力疊加較其兩側(cè)低（但仍大于原巖應(yīng)力γH），會出現(xiàn)較大的彈性核。見圖2。

圖1 煤體一側(cè)采空后的彈塑性變形區(qū)域及其應(yīng)力垂直分布情況

圖2 兩側(cè)均采空、寬度較大的煤柱的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布情況

2）當煤柱寬度較小時（B＜L），煤柱兩側(cè)邊緣的支撐壓力峰值將重疊在一起，并且中部所受載荷急劇增大，從而導(dǎo)致中部彈性核范圍內(nèi)的應(yīng)力趨近于均勻分布，應(yīng)力增高系數(shù)k可達4～5以上。見圖3。

3）一般情況下，受到回采引起的支承作用后，煤柱內(nèi)部存在著破裂區(qū)（Ⅰ區(qū)）、塑性區(qū)（Ⅱ區(qū)）、彈性區(qū)（Ⅲ區(qū)），而煤柱中間的彈性核對煤柱的穩(wěn)定性和承載能力起著至關(guān)重要的作用。若彈性核的寬度等于零，即煤柱進入整體屈服狀態(tài)，在采取合理支護措施后煤柱仍能保持穩(wěn)定，這是因為煤柱所受的一部分壓力會發(fā)生轉(zhuǎn)移后傳遞給人工支護。從目前國內(nèi)外情況看，為充分考慮煤炭資源的回收，最佳的煤柱寬度應(yīng)使中間的彈性核寬度為零，即B=2x0其中x0為單側(cè)破裂區(qū)寬度與塑性區(qū)寬度之和，見圖4。

圖3 兩側(cè)均采空且寬度較小的煤柱彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布

圖4 煤柱屈服寬度力學計算模型

1.3 塑性區(qū)寬度計算

對煤柱予以如下假設(shè)：

①煤體是連續(xù)、均質(zhì)的各向同性彈性體；②煤柱屈服之前的位移和變形是有限小的；③煤柱不受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，只受覆巖自重作用；④屈服區(qū)為臨界彈性狀態(tài)，可當成線彈性體處理；⑤屈服區(qū)因剪切應(yīng)力發(fā)生破壞，剪切面平行于煤層層面；⑥煤柱受力對于煤柱中性面對稱。

取煤柱的一半，建立塑性區(qū)寬度的計算模型，見圖4。從圖可知，σzl為煤柱極限強度，與煤巖單軸強度σc和流變系數(shù)η有關(guān)：σzl=2.729（ησc）-0.271；Px為冒落巖石或人工支護設(shè)施沿x軸方向?qū)γ罕诘募s束應(yīng)力；σx、σz、τzx分別為煤柱內(nèi)水平應(yīng)力、法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力。把圖4模型視作平面應(yīng)變問題，屈服區(qū)應(yīng)力符合莫爾——庫侖準則，求解屈服區(qū)界面所需的方程為：

應(yīng)力邊界條件為：

聯(lián)立上述各式，求得煤柱屈服區(qū)寬度rp(等同于圖1中的x0)為：

式中：z取絕對值。由上式可見，屈服區(qū)寬度與z值相關(guān)，煤柱不同高度的屈服區(qū)是不等寬的，頂?shù)捉缑嫣幾钚?，中間最大，其差別為0.5Ttgφ。當煤柱高為2m、摩擦角為40°時，該差別為0.84 m。按工程設(shè)計需要，應(yīng)按中性面z=0處的最大屈服區(qū)寬度來考慮。為了考慮生產(chǎn)對屈服區(qū)的擾動影響，在公式中引入開采擾動因子是非常必要的。機采時擾動較小，炮采時擾動較大，其影響屈服區(qū)的程度不一樣。因此，煤柱屈服區(qū)寬度計算的通用公式如下：

式中：T為煤柱高度，m；d為開采擾動因子，d=1.5～3.0；β為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)；C為煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力，MPa；φ為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角，°；σzl為煤柱極限強度，MPa；Px為煤壁的側(cè)向約束力，MPa。

一般情況下，煤柱的極限強度在工程上可以分為3類：軟煤柱：σzl=（0～5）MPa，中硬煤柱：σzl=（5～10）MPa，硬煤柱：σzl=（10～20）MPa。

按照煤柱與頂?shù)装褰缑娴慕Y(jié)合性能，可將結(jié)合界面分為3類:弱結(jié)合：c=（0～0.5）MPa，φ=10°～20°，一般結(jié)合：c=（0.5～1.0）MPa，φ=（10～20）°，強結(jié)合：c=（1.0～3.0）MPa，φ=（20～30）°

2 關(guān)于放水巷與211運輸順槽之間的煤柱留設(shè)

按照塑性煤柱理論的觀點，得出放水巷與211運輸順槽之間的煤柱應(yīng)至少留設(shè)2rp=20.72m，實際留設(shè)時取整為21m。需要注意的是，由于211工作面在回采期間會對煤柱產(chǎn)生采動影響，假設(shè)211工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊懛秶鸀镾0，那么原則上煤柱尺寸應(yīng)該不小于S0，否則就得根據(jù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及側(cè)向支承壓力對放水巷穩(wěn)定性的影響加以特別考慮。

3 關(guān)于2號煤層兩條下山大巷之間的煤柱留設(shè)

對于上下山巷道的護巷煤柱，考慮到服務(wù)年限較長，所以可使煤柱中部有一個彈性核，從而保證上下山巷道的穩(wěn)定性。一般彈性核寬度?。?～2）M（其中M為采高），故該下山大巷的煤柱寬度應(yīng)為B=2rp+（1～2）M，即有：B=2rp+2M=27.92（m）.即按照塑性煤柱理論的觀點，2號煤層兩條下山巷之間煤柱寬度取整為28m。

4 總結(jié)

綜上所述，按照塑性煤柱理論：放水巷與211運輸順槽之間煤柱應(yīng)留設(shè)21m；2號煤層兩條下山巷之間煤柱應(yīng)留設(shè)28m。

Research on Coal Pillars in Mengjiayao Mine

WU Shao-peng,ZHAI Ying-da
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Based on the elastic and plastic deformation and vertical stress distribution after the one-side or two-side of coal were mined out,the pillars between water release tunnel and211 transporting crossheading and the pillars between two dips of No.2 seam were designed to increase the recovery rate effectively.

coal pillar width;elastic nuclear;stability

TD822.3

A

1672-5050（2012）02-0049-03

2012-01-01

武少鵬（1985—），男，山西長治人，在讀碩士研究生，從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

徐樹文