區(qū)段煤柱的載荷與變形時間相關(guān)性及其規(guī)律

王金亮，趙建光

(大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西大同037000)

長臂采煤法區(qū)段煤柱留設(shè)十分重要，涉及到節(jié)約資源和安全。一些礦井留設(shè)寬大煤柱，造成極大的浪費［1］。據(jù)統(tǒng)計，為護(hù)巷而留煤柱造成的資源損失占總儲量損失的40%左右［2］。綜放開采時，工作面外煤炭損失占采區(qū)總損失的61%，而僅區(qū)段煤柱損失量就占到總損失量的36.7%［3－5］。由于煤柱留設(shè)不合理，造成采面超前壓力段變形嚴(yán)重、頂?shù)装逡平吭黾?，甚至造成壓垮、頂板塌落、人員傷亡的事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。要合理留設(shè)區(qū)段煤柱，必須認(rèn)識煤柱，并研究其受力和變形機理。本文從區(qū)段煤柱形成到廢棄的過程入手，分析其載荷與變形的時間相關(guān)性及其規(guī)律，對進(jìn)一步研究區(qū)段煤柱變形和破壞機理，合理留設(shè)區(qū)段煤柱具有一定借鑒作用。

1 區(qū)段煤柱從形成到廢棄的過程

1.1 區(qū)段煤柱從形成到廢棄經(jīng)歷5個階段

區(qū)段煤柱從形成到廢棄是一個動態(tài)時間過程［6］，按其受采掘影響不同，經(jīng)歷了5個階段(如圖1所示)。Ⅰ階段:煤柱形成階段。煤柱位于上、下區(qū)段待采工作面鄰近巷道之間;Ⅱ階段:受上區(qū)段回采面采動及頂板運動影響階段。煤柱下側(cè)是下區(qū)段待采工作面巷道，上側(cè)是上區(qū)段正回采的工作面;Ⅲ階段:上區(qū)段回采工作面采動及頂板運動穩(wěn)定階段。煤柱下側(cè)是下區(qū)段待采工作面巷道，上側(cè)是上區(qū)段采空區(qū);Ⅳ階段:受下區(qū)段回采工作面采動及頂板運動影響階段。煤柱下側(cè)是下區(qū)段正回采的工作面，上側(cè)是上區(qū)段采空區(qū);Ⅴ階段:下區(qū)段回采工作面采動及頂板運動穩(wěn)定階段。

圖1 區(qū)段煤柱從形成到廢棄的5個階段

1.2 區(qū)段煤柱的5種類型

從以上5個階段看，按煤柱兩側(cè)采掘環(huán)境和邊界條件，區(qū)段煤柱分以下5種類型 (如圖2所示):A型:巷道－巷道型;B型:巷道－回采面型; C型:巷道－采空區(qū)型;D型:回采面－采空區(qū)型; E型:采空區(qū)－采空區(qū)型。

2 區(qū)段煤柱載荷的時間相關(guān)性及規(guī)律

2.1 區(qū)段煤柱載荷的特殊性

區(qū)段煤柱受采、掘、頂板運動等動態(tài)因素影響大。不僅受巷道掘進(jìn)影響，還受上、下工作面采動和頂板運動影響，受重復(fù)的加載－卸載作用，其受載荷作用是一個過程，受力狀態(tài)和破壞過程復(fù)雜，所受動態(tài)載荷作用是井下所有煤柱中最嚴(yán)重和最復(fù)雜的。

2.2 載荷的時間相關(guān)性及規(guī)律

從5個階段看，載荷對煤柱的作用和時間相關(guān)，即和上、下回采面形成及推進(jìn)過程相關(guān)。第Ⅰ階段A型煤柱，兩側(cè)只受到掘進(jìn)引起的支承壓力作用;第Ⅱ階段B型煤柱，下側(cè)受掘進(jìn)引起的支承壓力作用，上側(cè)除受掘進(jìn)引起的支承壓力外、還受上區(qū)段工作面回采引起的超前支承壓力 (移動支承壓力)和頂板運動引起的側(cè)向支承壓力作用［7］;第Ⅲ階段C型煤柱，下側(cè)受掘進(jìn)引起的支承壓力作用，上側(cè)受上區(qū)段采空區(qū)頂板活動穩(wěn)定后的側(cè)向支承壓力作用;第Ⅳ階段D型煤柱，下側(cè)除受掘進(jìn)引起的支承壓力外、還受下區(qū)段工作面回采引起的超前支承壓力 (移動支承壓力)和頂板運動引起的側(cè)向支承壓力作用，上側(cè)受上區(qū)段采空區(qū)頂板活動穩(wěn)定后的側(cè)向支承壓力作用;第Ⅴ階段E型煤柱，下側(cè)受下區(qū)段采空區(qū)頂板活動穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力作用，上側(cè)受上區(qū)段采空區(qū)頂板活動穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力作用。

圖2 區(qū)段煤柱的5種類型

圖3、圖4是區(qū)段煤柱從形成到廢棄上、下兩側(cè)載荷隨時間變化曲線。從兩圖可看出，下區(qū)段工作面采動影響階段載荷最大，即第Ⅳ階段D型煤柱所受載荷最大。

圖3 區(qū)段煤柱上側(cè)載荷隨時間的變化

3 區(qū)段煤柱變形的時間相關(guān)性及規(guī)律

3.1 5個階段的變形量

Ⅰ階段(A型):煤柱兩側(cè)變形是以下兩者的疊加:一是巷道掘進(jìn)開挖后對煤柱造成的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定以后，隨時間發(fā)展的流變量(量很小)。

圖4 區(qū)段煤柱下側(cè)載荷隨時間的變化

Ⅱ階段(B型):煤柱下側(cè)變形是以下三者的疊加:一是巷道掘進(jìn)時的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定以后，隨時間發(fā)展的流變量;三是上區(qū)段工作面采動及頂板運動對下側(cè)造成的變形 (該變形和煤柱尺寸有關(guān)。尺寸較寬，則變形較小或為零;尺寸較窄，則變形較大)。區(qū)段煤柱上側(cè)變形是以下三者的疊加:一是巷道掘進(jìn)時的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定以后，隨時間發(fā)展的流變量;三是上區(qū)段工作面采動及頂板運動造成的變形。

Ⅲ階段(C型):煤柱下側(cè)變形是以下四者的疊加:一是巷道掘進(jìn)時的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定以后，隨時間發(fā)展的流變量;三是上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動對下側(cè)造成的變形 (該變形和煤柱尺寸有關(guān)。尺寸較寬，則變形較小或為零;尺寸較窄，則變形較大);四是上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動穩(wěn)定后，下側(cè)隨時間發(fā)展的流變量。區(qū)段煤柱上側(cè)變形是以下四者的疊加 (假設(shè)上區(qū)段采空區(qū)冒落矸石對上側(cè)引起的擠壓側(cè)向變形不計):一是巷道掘進(jìn)時的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定后，隨時間發(fā)展的流變量;三是上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動對上側(cè)造成的變形;四是上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動穩(wěn)定以后，上側(cè)隨時間發(fā)展的流變量。

Ⅳ階段(D型):煤柱下側(cè)變形是以下五者的疊加:一是巷道掘進(jìn)的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定后，隨時間發(fā)展的流變量;三是上區(qū)段工作面采動影響對下側(cè)造成的變形 (該變形和尺寸有關(guān)。尺寸較寬，則變形較小或為零;尺寸較窄，則變形較大);四是上區(qū)段工作面采動影響穩(wěn)定后，下側(cè)隨時間發(fā)展的流變量;五是下區(qū)段工作面采動及頂板運動對下側(cè)造成的變形。煤柱上側(cè)變形是以下五者的疊加 (假設(shè)上區(qū)段采空區(qū)冒落矸石對上側(cè)引起的擠壓側(cè)向變形不計):一是巷道掘進(jìn)的擾動變形;二是掘進(jìn)影響穩(wěn)定后，隨時間發(fā)展的流變量;三是上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動造成的變形;四是上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動穩(wěn)定后，隨時間發(fā)展的流變量;五是下區(qū)段工作面采動及頂板運動對上側(cè)造成的變形 (該變形和煤柱尺寸有關(guān)。尺寸較寬，則變形較小或為零;尺寸較窄，則變形較大)。

Ⅴ階段(E型):煤柱上、下側(cè)分別是上、下區(qū)段采空區(qū)，各側(cè)變形沒意義。

3.2 變形的時間相關(guān)性及規(guī)律

據(jù)以上分析，其下側(cè)和上側(cè)變形總位移分別是:

式中，U1，U2分別為D型煤柱下側(cè)、上側(cè)變形總位移;U0為工作面運輸巷掘進(jìn)時擾動破壞引起的煤柱下側(cè)位移，工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)時擾動破壞引起的煤柱上側(cè)位移，設(shè)二者相同;v0為煤柱下側(cè)、上側(cè)在掘進(jìn)影響穩(wěn)定以后的位移速度，設(shè)二者相同; t01，t02分別為煤柱下側(cè)、上側(cè)在掘進(jìn)影響穩(wěn)定至上區(qū)段工作面采動影響開始時的時間間隔;U12，U22分別為煤柱下側(cè)、上側(cè)在上區(qū)段工作面采動及頂板運動影響期內(nèi)的位移;v12，v22分別為煤柱下側(cè)、上側(cè)在上區(qū)段工作面采動及頂板運動結(jié)束至下側(cè)工作面采動影響開始期間的位移速度;t12，t22分別為煤柱下側(cè)、上側(cè)在上區(qū)段工作面采動影響及頂板運動結(jié)束至下區(qū)段工作面采動影響開始的時間間隔;U11，U21分別為煤柱下側(cè)、上側(cè)在下區(qū)段工作面采動影響期間的位移。

圖5、圖6是煤柱上側(cè)、下側(cè)的變形總位移及位移速度變化曲線。從兩圖可看出，下區(qū)段工作面采動影響階段變形最大，即第Ⅳ階段D型煤柱兩側(cè)變形最大。

4 最危險類型區(qū)段煤柱

圖5 最危險類型煤柱上側(cè)變形總位移及位移速度變化

圖6 最危險類型煤柱下側(cè)變形總位移及位移速度變化

由以上分析看出，區(qū)段煤柱在下區(qū)段工作面采動影響階段載荷和變形最大，即第Ⅳ階段D型煤柱載荷和變形最大，破壞最嚴(yán)重，定義為最危險類型區(qū)段煤柱。研究區(qū)段煤柱，就是研究最危險類型區(qū)段煤柱。如圖7，把其分成兩段:ab段已進(jìn)入下區(qū)段采空區(qū)，最危險類型區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，實質(zhì)就是bc段的穩(wěn)定性，即受下區(qū)段工作面超前移動支承壓力影響范圍內(nèi)的一段區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

(1)區(qū)段煤柱從形成到廢棄是一個動態(tài)時間過程，經(jīng)歷5個階段，形成了5種類型煤柱。所受載荷和變形不是靜態(tài)不變的，是隨時間不斷變化和疊加的。

圖7 危險型煤柱分段

(2)區(qū)段煤柱受兩巷掘進(jìn)、上下工作面回采、頂板來壓及穩(wěn)定等動態(tài)因素影響大，受重復(fù)加載－卸載作用，受動態(tài)載荷影響是井下煤柱中最嚴(yán)重的。載荷對煤柱作用和時間相關(guān)，即和回采面形成及推進(jìn)相關(guān)。載荷不是單一的，不同階段載荷大小和類型不同，載荷大小由作用在該階段內(nèi)采、掘、頂板運動產(chǎn)生的載荷疊加而成。區(qū)段煤柱第Ⅳ階段D型煤柱所受載荷最大。

(3)區(qū)段煤柱變形是一個隨時間變化的動態(tài)過程，變形不是單一的，不同階段變形大小和類型不同，變形大小由作用在該階段內(nèi)采、掘、頂板運動產(chǎn)生的變形疊加而成。區(qū)段煤柱第Ⅳ階段D型煤柱變形最大。

(4)區(qū)段煤柱第Ⅳ階段D型煤柱所受載荷和變形最大，破壞最嚴(yán)重，是最危險類型區(qū)段煤柱。區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，就是指最危險類型區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，即受下區(qū)段工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)的一段區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性。

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