特殊條件對區(qū)段煤柱合理尺寸留設(shè)的影響分析

王瑞卿

(山西焦煤集團投資有限公司，山西 太原 030021)

賀西礦是汾西礦業(yè)集團的一座新建現(xiàn)代化礦井。地面位于山西省柳林縣城東南12 km處，煤田屬山西河?xùn)|煤田中段井田面積16.16 km2。年產(chǎn)量為240萬t。含煤地層是石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。水文地質(zhì)條件簡單;瓦斯等級為高瓦斯礦井;地質(zhì)構(gòu)造總體上為走向北西、傾向南西的單斜構(gòu)造，地層傾角3°～5°，褶曲、斷層均不發(fā)育，僅發(fā)現(xiàn)1條落差為9 m的正斷層，其余為小于2 m的層間斷層;煤層賦存穩(wěn)定?？刹擅簩?#、4#層，兩層同時進行開采。兩層煤平均間距11.99 m，3#煤開采方式為走向長壁開采，4#煤開采方式為傾斜長壁開采。綜合機械化采煤法采煤，全部跨落法管理頂板。針對賀西礦的特殊的環(huán)境和影響因素，在留設(shè)區(qū)段煤柱時，必須對這些影響因素進行分析。

1 特殊條件的影響

1.1 老頂巖層在區(qū)段煤柱處斷裂位置的影響

上區(qū)段采空區(qū)老頂巖層在區(qū)段煤柱處的斷裂位置分為兩種，即位于區(qū)段煤柱煤壁之內(nèi)的上方和區(qū)段煤柱煤壁之外即采空區(qū)的上方(見圖1，圖2)。當(dāng)老頂巖層在區(qū)段煤柱煤壁之內(nèi)的上方斷裂時，巖塊B的回轉(zhuǎn)將對區(qū)段煤柱上側(cè)邊緣煤體的受力、變形狀況產(chǎn)生很大的影響。上區(qū)段采空區(qū)老頂巖層在區(qū)段煤柱處的斷裂位置，主要取決于直接頂?shù)暮穸?、煤、直接頂、老頂?shù)膸r石力學(xué)性質(zhì)以及老頂和其上載荷等因素。在多數(shù)情況下，斷裂位置發(fā)生在煤壁之內(nèi)上方。

分析賀西礦3#煤層、直接頂、老頂?shù)膸r性及其抗拉、抗壓強度，根據(jù)以上理論，可以得出結(jié)論，該礦上區(qū)段采空區(qū)老頂巖層在區(qū)段煤柱處的斷裂位置發(fā)生在煤壁之內(nèi)的上方。因而，上采空區(qū)老頂巖塊B的回轉(zhuǎn)將對區(qū)段煤柱上側(cè)邊緣的受力、變形狀況產(chǎn)生很大的影響，使區(qū)段煤柱上側(cè)塑性變形區(qū)寬度增加，破環(huán)嚴重(見圖1)。因此，在留設(shè)區(qū)段煤柱時，要使煤柱寬度加大。

圖1 老頂巖層在區(qū)段煤柱處煤壁內(nèi)斷裂示意圖

1.2 區(qū)段煤柱與頂?shù)装逍纬傻牧W(xué)結(jié)構(gòu)的影響

圖2 老頂巖層在區(qū)段煤柱處煤壁外斷裂示意圖

上區(qū)段采空區(qū)老頂巖層斷裂所形成的小結(jié)構(gòu)對區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性有很大影響(見圖3)。穩(wěn)定的小結(jié)構(gòu)，不僅具有自我支撐功能，而且可以支撐老頂上覆巖層，使區(qū)段煤柱免受來自右上方的側(cè)壓破壞。巖塊B對小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用，巖塊B的穩(wěn)定性服從滑落穩(wěn)定條件回轉(zhuǎn)變形穩(wěn)定條件。上區(qū)段采空區(qū)上覆主關(guān)鍵巖層極易在區(qū)段煤柱右上側(cè)形成梁式或拱式的大結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定的大結(jié)構(gòu)可以減小小結(jié)構(gòu)上的載荷，保護小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖3 老頂在區(qū)段煤柱上側(cè)形成的穩(wěn)定小結(jié)構(gòu)示意圖

分析賀西礦煤層及頂?shù)装鍘r層柱狀圖，可以看出，3#煤層的上覆巖層不存在較堅硬且具有一定厚度、對巖體活動全部起控制作用的主關(guān)鍵層，因而上覆巖層無法形成大結(jié)構(gòu)，不能有效保護小結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

由此，可以初步判斷，老頂以上的巖層和老頂同步變形，施加在老頂斷裂形成的小結(jié)構(gòu)上的載荷是相當(dāng)大的。

小結(jié)構(gòu)關(guān)鍵巖塊B保持穩(wěn)定的兩個條件:

1)S條件:

2)R條件:

取承載層的抗壓強度，巖體的體積力，巖塊間的摩擦因數(shù)，巖塊斷裂后回轉(zhuǎn)角 (因為煤層厚只有1.91 m，而直接頂厚3.5 m，考慮直接頂垮落后的碎漲系數(shù)，巖塊回轉(zhuǎn)角取18°足夠)，承載層厚度，而承載層所負載巖層厚度可以取的很大。由此可見，無論如何，上面兩個條件都難以滿足，小結(jié)構(gòu)關(guān)鍵巖塊B無法保持穩(wěn)定，小結(jié)構(gòu)必失穩(wěn)。小結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)使巖塊B及其上巖層的部分重量壓在區(qū)段煤柱上側(cè)頂部，使上側(cè)的塑性變形區(qū)進一步加寬，破壞更加嚴重(見圖4)。因此，在留設(shè)區(qū)段煤柱尺寸時，要使煤柱寬度加大。

圖4 老頂在區(qū)段煤柱上側(cè)形成不穩(wěn)定小結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 軟弱夾層對區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)的影響

當(dāng)接觸面的摩擦系數(shù)和黏結(jié)力增大時，可增加煤柱頂?shù)撞績蓚?cè)的約束力，使煤柱塑性區(qū)寬度減小，增加煤柱的強度和穩(wěn)定性;反之，則使塑性區(qū)寬度增加，減小強度和穩(wěn)定性。另外，煤柱與頂?shù)装彘g界面無軟夾層時，即摩擦和黏結(jié)力較大時，煤柱上、下兩端呈水平壓縮，實際上增加了煤柱圍壓，減小了塑性變形區(qū)寬度，增加了煤柱的強度和穩(wěn)定性;而煤柱與頂?shù)装彘g界面有軟夾層時，即摩擦和黏結(jié)力較小時，煤柱上下兩端部出現(xiàn)附加水平拉應(yīng)力，減小了圍壓，增加了塑性變形區(qū)寬度，消弱了煤柱的強度。

分析賀西礦煤層及頂?shù)装鍘r層柱狀圖，發(fā)現(xiàn)3#煤層頂部是1層厚度為0.2 m左右的頁巖層，其松軟、易冒落。區(qū)段煤柱與頂板巖層間的這一軟弱夾層的存在，減小了區(qū)段煤柱與頂板巖層間的摩擦力和黏結(jié)力，實際上減小了煤柱上部的圍壓，在支承壓力作用下使煤柱上部出現(xiàn)了附加水平拉應(yīng)力，使區(qū)段煤柱上部塑性變形區(qū)寬度加寬，破壞嚴重，削弱了區(qū)段煤柱的強度和穩(wěn)定性。因此，在留設(shè)區(qū)段煤柱尺寸時，應(yīng)加大煤柱寬度。

1.4 地應(yīng)力對區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)的影響

通過對地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的分析可知，一個地區(qū)的地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力嚴重影響煤柱受力狀況，在煤柱受力分析時不可或缺。一般來說，當(dāng)煤柱的長度方向和最大水平主應(yīng)力方向一致、寬度方向和最小水平主應(yīng)力方向一致時，可有效改善煤柱的受力狀態(tài)，使煤柱塑性變形區(qū)寬度減小、破壞減小，提高煤柱的穩(wěn)定性。

在賀西礦采用水壓致裂法進行原巖應(yīng)力測試，結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力為8.13 MPa，與順槽巷道前進方向夾角 36.3°，最小水平主應(yīng)力為 4.54 MPa，鉛直主應(yīng)力為7.58 MPa，最大主應(yīng)力為最大水平主應(yīng)力。由于區(qū)段煤柱的長度方向和最大水平主應(yīng)力方向夾角為36.3°，夾角較大，且最大水平主應(yīng)力為最大主應(yīng)力，數(shù)值明顯很大，故區(qū)段煤柱在這種特殊的地應(yīng)力作用下，塑性變形區(qū)寬度會增加，兩側(cè)破壞加大，使區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性和強度減小。因此，在留設(shè)區(qū)段煤柱尺寸時，要使煤柱寬度加大。

1.5 煤體節(jié)理、裂隙等弱面對煤柱尺寸留設(shè)的影響

分析節(jié)理、裂隙、斷層等弱面對區(qū)段煤柱強度的影響，認為這些弱面是影響控制煤柱強度的主要因素，弱面存在使煤柱沿弱面發(fā)生壓剪破壞，使煤柱強度顯著降低，并在理論上得出了含弱面煤柱強度計算公式。

賀西礦3#煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，性脆，煤的抗拉強度、抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角均較低。這些特點使煤柱強度降低，抗破壞能力減弱，在采掘動態(tài)影響和重復(fù)加載－卸載作用下，區(qū)段煤柱兩側(cè)塑性變形區(qū)寬度增加，破壞深度加大，穩(wěn)定性降低。因此，在留設(shè)區(qū)段煤柱尺寸時，要使煤柱寬度加大。

1.6 特殊條件對區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)的影響

在賀西礦，上采空區(qū)老頂巖層在區(qū)段煤柱處的斷裂位置發(fā)生在煤壁之內(nèi)的上方，區(qū)段煤柱與頂板上覆巖層不能形成穩(wěn)定的大、小結(jié)構(gòu)，煤柱與頂?shù)装褰缑骈g存在軟弱夾層，水平地應(yīng)力較大且其方向不利煤柱穩(wěn)定，煤體節(jié)理、裂隙等弱面較發(fā)育及煤的物理力學(xué)性能指標較低。這些因素的存在均減弱了煤柱的承載能力，不利于煤柱的穩(wěn)定，在采、掘動態(tài)因素和重復(fù)加載－卸載作用下，使區(qū)段煤柱呈現(xiàn)出兩側(cè)塑性區(qū)寬度較寬，破壞深度較大等特點。在生產(chǎn)現(xiàn)場，表現(xiàn)為順槽巷道煤柱側(cè)炸幫嚴重;破壞深度較深，煤柱破損嚴重，不能起到有效的護巷作用;由于順槽巷道兩側(cè)煤體深度破環(huán)，使順槽巷實際寬度不斷加大，大大超過設(shè)計寬度，從而使順槽巷頂板嚴重下沉，甚至斷裂和垮落，嚴重影響巷道正常使用。

2 工程實例分析

賀西礦3#煤層在回采過程中，順槽巷道兩側(cè)煤體一直破壞嚴重，頂板下沉量大，護巷效果極差。尤其是區(qū)段煤柱的兩側(cè)塑性變形區(qū)寬度很大，破壞深度較深。一段時期，人們認為加大區(qū)段煤柱寬度，提高區(qū)段煤柱強度，可以解決上述問題。于是，區(qū)段煤柱寬度加大到現(xiàn)在采用的30 m，但護巷效果幾乎沒有改善。究其原因是沒有認清問題的實質(zhì)。本文認為:

1)加大煤柱寬度提高煤柱強度是可行的，但有一個范圍，現(xiàn)場和試驗均證明:煤柱寬高比大于8時，煤柱強度不再隨寬高比的增加而增加。

2)賀西礦3#煤層區(qū)段煤柱兩側(cè)塑性變形區(qū)寬度大、破壞深度較深、護巷效果差、頂板下沉量大、順槽巷道難以維護等問題的出現(xiàn)，是該礦上述幾方面固有的特殊條件在區(qū)段煤柱上的綜合反映，不是由于區(qū)段煤柱寬度小造成的，因而不是加大區(qū)段煤柱寬度就可以解決的。

3)在賀西礦特殊條件下，不同寬度的區(qū)段煤柱兩側(cè)塑性變形區(qū)的寬度是相同的，因而可認為不同寬度的區(qū)段煤柱兩側(cè)的破壞深度亦相同。增加區(qū)段煤柱寬度，只會增加其彈性核區(qū)的寬度，并不會減小其兩側(cè)的塑性變形區(qū)寬度，因而其破壞深度也不會減小，煤柱護巷效果差的問題也不會解決。

4)解決賀西礦區(qū)段煤柱破壞嚴重、護巷效果差的問題，應(yīng)該從“煤柱布置方向要和地應(yīng)力狀況相符”的角度和改變支護方式的角度去考慮。

5)賀西礦3#煤層現(xiàn)在采用的30 m寬的區(qū)段煤柱可以減小，適當(dāng)減小寬度后的區(qū)段煤柱強度不會改變，穩(wěn)定性不會變差，護巷效果不會惡化。

3 結(jié)論

綜合以上分析，要解決賀西礦特殊條件對區(qū)段煤柱形成的負面效應(yīng)，在研究區(qū)段煤柱合理尺寸時，留設(shè)寬度太小的煤柱顯然是不可行的，區(qū)段煤柱寬度必須向加大的方向考慮，但加大必須有一個限度。這就要通過前面的理論計算和影響因素，綜合進行優(yōu)化分析確定。按照文中提出區(qū)段煤柱必須同時滿足的三個方面的作用，即支撐作用、護巷作用和隔離作用。要滿足支撐作用，就必須使煤柱有一定的支撐能力，并滿足區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的強度條件;要滿足隔離作用，就必須使煤柱中部有一定寬度的臨界彈性核，并滿足區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的寬度條件;要滿足護巷作用，就要選擇合適的支護方式(例如錨索護幫、噴漿封閉等)，使煤柱兩側(cè)的塑性變形區(qū)和破壞區(qū)降到最小。

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