非常規(guī)條帶煤柱穩(wěn)定性分析及其應(yīng)用

郭愛國

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

條帶開采是“三下”采煤領(lǐng)域比較成熟的方法之一，在國內(nèi)外的建 (構(gòu))筑物壓煤開采中已得到大量的應(yīng)用，且取得了許多成功經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐表明，與全采相比，條帶開采能較大幅度地減小地表的下沉與變形值，從而有效地保護(hù)地表建 (構(gòu))筑物［1］。條帶開采方案設(shè)計(jì)需要確定最大采寬、最小留寬及采出率3個關(guān)鍵因素。確定煤柱留設(shè)寬度時，需要對煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行校核，保證煤柱具有長期強(qiáng)度支撐上覆巖層穩(wěn)定，以滿足地面建(構(gòu))筑物的保護(hù)要求。

1 非常規(guī)條帶煤柱的含義及其特征

隨著煤炭資源的逐漸減少，部分礦井已經(jīng)進(jìn)入邊角煤開采階段。由于邊角煤大都面積較小且形狀不規(guī)則，很難布置正規(guī)的大工作面。當(dāng)邊角煤上方地表有建筑物時，往往需要采用限制工作面開采寬度、減小煤層開采厚度、采用條帶開采方案或者綜合運(yùn)用以上方法來控制地表移動與變形。這種情況下會產(chǎn)生非常規(guī)條帶煤柱。所謂非常規(guī)條帶煤柱是相對常規(guī)條帶煤柱而言的。常規(guī)條帶開采中，煤柱兩側(cè)開采寬度相同，煤層開采厚度也相同，而非常規(guī)條帶煤柱兩側(cè)工作面的開采寬度和開采厚度等參數(shù)往往不同。非常規(guī)條帶煤柱主要有以下特征:

(1)煤柱兩側(cè)開采寬度不等 在邊角煤的開采中，有時候?yàn)榱朔奖悴贾霉ぷ髅婊蛘吲R近老采空區(qū)，煤柱兩側(cè)的開采寬度可能不同。

(2)兩側(cè)開采厚度不等 當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化或者根據(jù)開采的需要限制開采厚度時，煤柱兩側(cè)的開采厚度也可能不同，比如煤柱的一側(cè)采用限厚開采，另一側(cè)采用全厚度開采。

2 非常規(guī)條帶煤柱穩(wěn)定性分析

2.1 煤柱穩(wěn)定性分析基本理論

煤柱的穩(wěn)定性取決于煤柱實(shí)際承受的載荷及其極限承載能力。在煤柱穩(wěn)定性分析方面，應(yīng)用較多的是Wilson強(qiáng)度理論。該理論認(rèn)為在采空區(qū)一側(cè)距煤壁0.3H處，采空區(qū)矸石承受γH的載荷，且在該處與煤壁之間應(yīng)力按線性分布計(jì)算［2－6］。常規(guī)條帶開采的采寬b，留寬a是確定的，此時，煤柱實(shí)際承受的載荷為:

該理論還認(rèn)為煤柱兩側(cè)有寬度為0.00492mH的塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)為核區(qū)。核區(qū)的承載能力為4γH，塑性區(qū)的承載能力從煤壁到核區(qū)呈線性增加。根據(jù)該理論，煤柱的極限承載能力為:

以上表述及公式中，a為留設(shè)煤柱的寬度;γ為覆巖的平均密度;m為煤層的開采厚度;H為開采深度。

條帶煤柱的安全系數(shù)計(jì)算公式為:

一般而言，條帶工作面用垮落法管理頂板且安全系數(shù)f＞1.5時，即可滿足工程需要，保證煤柱的長期穩(wěn)定。

2.2 非常規(guī)條帶煤柱載荷及承載能力計(jì)算

當(dāng)煤柱兩側(cè)的開采參數(shù)不同時，就需要根據(jù)實(shí)際情況，靈活運(yùn)用Wilson強(qiáng)度理論進(jìn)行煤柱穩(wěn)定性校核與分析。煤柱兩側(cè)工作面開采寬度主要影響煤柱實(shí)際承受的載荷，煤柱兩側(cè)煤層開采厚度主要影響煤柱塑性區(qū)的發(fā)育寬度。為了對非常規(guī)條帶煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，不失一般性，假設(shè)需要校核的煤柱留設(shè)寬度為a，煤柱兩側(cè)開采寬度分別為b1和b2(b1，b2均小于0.6H)，相對應(yīng)兩側(cè)的煤層開采厚度分別為m1和m2。依據(jù)Wilson強(qiáng)度理論，作出的非常規(guī)條帶煤柱載荷和承載能力分析模型如圖1所示。

圖1 非常規(guī)條帶煤柱載荷分析模型

由wilson強(qiáng)度理論可知，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度分別為0.00492m1H和0.00492m2H，塑性區(qū)的承載能力從煤壁到核區(qū)呈線性增加，故煤柱有效支撐寬度為a－0.00246(m1+m2)H，可以承擔(dān)的極限載荷為:

同樣，可以由公式 (3)求得煤柱安全系數(shù)f。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

山東某礦12采區(qū)第四系厚度161m，開采深度320～550m。上覆巖層以砂巖為主、兼有泥巖的中硬巖層。采區(qū)范圍內(nèi)于2002—2004年采用條帶開采方式進(jìn)行了建筑物下壓煤的開采。條帶開采方案為采50m，留80m，條帶開采效果良好，有效地保護(hù)了地表建筑物。根據(jù)礦井生產(chǎn)需要，擬在1209工作面采空區(qū)北側(cè)，沿已廢棄的采區(qū)上山布置一個非充分采動工作面，以處理井下矸石。因開采區(qū)域上方有建筑物，要求設(shè)計(jì)的充填工作面不會引起臨近的1209工作面采空區(qū)的活化并保證地表建筑物的正常使用。為此需要將設(shè)計(jì)工作面的開采寬度、開采厚度及其與1209工作面采空區(qū)之間的煤柱寬度進(jìn)行確定。設(shè)計(jì)區(qū)域煤層平均埋藏深度500m，煤層厚度為8.7m，煤層傾角約20°。1209工作面推進(jìn)長度為375m，工作面寬度為50m，工作面停采時間為2004年1月，1209工作面采空區(qū)距離采區(qū)上山70m。工作面位置關(guān)系見圖2。

圖2 工作面位置關(guān)系

為保證設(shè)計(jì)工作面為極不充分采動并確保留設(shè)煤柱的寬度足夠支撐上覆巖層，確定工作面的開采寬度為30m，與1209工作面采空區(qū)間的煤柱留設(shè)寬度為40m。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)劃，煤層開采厚度按只開采頂分層 (采厚3m)和開采頂、底兩個分層 (實(shí)際采厚6m，由于頂、底分層開采后，中間煤層垮落，對煤柱失去側(cè)限作用，煤柱塑性區(qū)發(fā)育寬度應(yīng)按采厚8.7m計(jì)算)進(jìn)行考慮。

由于設(shè)計(jì)工作面采空區(qū)要處理矸石，充填的矸石雖然不能實(shí)現(xiàn)充分接頂以支撐上覆巖層，但增加了煤柱的側(cè)向壓力，提高了煤柱的支撐能力，故此處要求煤柱的安全系數(shù)大于1.2即可。以下分別對開采頂分層 (計(jì)算采厚3m)和開采頂、底兩個分層 (計(jì)算采厚8.7m)2種方案的煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行校核。將b1=30m，b2=50m，a=40m，m11=3m，m12=8.7m，m2=8.7m，γ =2.5t/m3，H=500m，分別代入公式 (4)、公式 (5)及公式 (3)，求得結(jié)果如下:當(dāng)只開采頂分層時，煤柱穩(wěn)定性系數(shù)f=1.33＞1.2，煤柱穩(wěn)定性滿足要求。當(dāng)開采頂、底兩個分層時，煤柱穩(wěn)定性系數(shù)f=0.96＜1.2，煤柱穩(wěn)定性不滿足要求。所以，為了保證煤柱能長期有效支撐上覆巖層，設(shè)計(jì)工作面的開采厚度確定為3m，即只開采頂分層。

4 結(jié)論

(1)從Wilson強(qiáng)度理論的基本原理出發(fā)，得出非常規(guī)條帶煤柱穩(wěn)定性校核公式如下:煤柱實(shí)際載荷，煤柱極限承載能力P極=4γH[a－0.00246(m1+m2)H]，煤柱穩(wěn)定性系數(shù)f=P極/P實(shí)。

(2)利用得出的非常規(guī)條帶煤柱校核公式，結(jié)合具體工程實(shí)例，在保證煤柱長期穩(wěn)定的前提下，對設(shè)計(jì)非充分采動工作面的開采厚度進(jìn)行了確定。

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