固定載荷下煤巖流變對(duì)煤柱設(shè)計(jì)的影響研究

孫曉棟

摘 要：針對(duì)巷道開(kāi)挖后保護(hù)煤柱隨時(shí)間變遷強(qiáng)度持續(xù)降低的現(xiàn)象，以米籮礦3213工作面回采巷道保護(hù)煤柱為研究對(duì)象。采取工程地質(zhì)調(diào)查、理論分析等手段。分析了固載狀態(tài)煤巖體流變破壞機(jī)理，提出新型巷道煤柱設(shè)計(jì)方式。工程實(shí)踐研究表明：根據(jù)煤柱流變趨勢(shì)設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱既能極大提高巷道安全性同時(shí)減少煤柱的損失。

關(guān)鍵詞：巖石流變;流變特性;非線(xiàn)性;煤柱設(shè)計(jì);長(zhǎng)期強(qiáng)度;

1 引 言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，為保證巷道通風(fēng)，運(yùn)輸安全通常會(huì)設(shè)置一定寬度的保護(hù)煤柱。隨著巷道服務(wù)的年限的增長(zhǎng)，保護(hù)煤柱會(huì)設(shè)計(jì)得越來(lái)越寬。這種設(shè)計(jì)考慮到頂板下沉等其他因素，還可以表明時(shí)間的變化對(duì)煤柱的強(qiáng)度有較強(qiáng)的影響，即保護(hù)煤柱的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸降低。

本文基于米籮礦3213工作面回采巷道為工程研究背景，對(duì)由于煤柱流變?cè)斐身敯逑陆担螇毫ι呦锏绹鷰r破壞變性進(jìn)行研究。提出根據(jù)巷道使用年限合理設(shè)計(jì)煤柱寬度，在減少煤柱損失的同時(shí)提高巷道的安全性。

2 概 況

巖石流變?cè)诿褐ёo(hù)中的理論研究

巖石在形成過(guò)程中由于各種原因會(huì)形成諸如氣泡、節(jié)理以及發(fā)育裂隙等組織結(jié)構(gòu)，使其在長(zhǎng)期受壓過(guò)程中會(huì)發(fā)生微弱變形，尤其是軟弱巖體以及泥沙填充物和夾層破碎帶蠕變性質(zhì)更為顯著[1]。

2.1 物理模型的建立

根據(jù)煤巖體在載荷σ1>σ2>σ3>┄>σ7

的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，繪制非線(xiàn)性蠕變的曲線(xiàn)。以此來(lái)確定每條曲線(xiàn)達(dá)到破壞前的應(yīng)變值ε所經(jīng)歷的時(shí)間，如圖一所示。以縱坐標(biāo)表示煤巖體所受應(yīng)力σ，橫坐標(biāo)表示到達(dá)破壞前所經(jīng)歷的時(shí)間t，作煤巖體在固載狀態(tài)下，強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖，以此來(lái)確立煤巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度，如圖2所示。

根據(jù)長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線(xiàn)圖，可用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)方程表示

公式中為由實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，本式中取值為0.1。

2.2 煤柱設(shè)計(jì)公式的確立

根據(jù)拋物線(xiàn)型強(qiáng)度準(zhǔn)則理論[6]，最小煤柱的寬度計(jì)算公式為：

式中：A，B分別為拋物線(xiàn)型Mohr強(qiáng)度公式的參數(shù)。d為采動(dòng)影響因子，取值一般為1.5～3.0。M為煤層厚度，m;為煤柱塑性流變強(qiáng)度，Mpa;為約束應(yīng)力，Mpa;Px為支護(hù)強(qiáng)度，Mpa;

將置換為σt同時(shí)不考慮人為支護(hù)，即px為0。煤柱設(shè)計(jì)寬度為：

3 工程實(shí)踐

水城礦業(yè)集團(tuán)米籮礦83-1煤層302盤(pán)區(qū)4108巷道3213工作面回采巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1024m，煤層厚度大，其間又常夾透鏡狀的厚煤層而形成一含煤富集帶。上距65煤層112.5～57.6m，一般72m。煤層厚度大且穩(wěn)定，為4.14～0.71m，一般厚度為2.14m。全區(qū)可采，是煤層系中厚度最大的煤層，其厚度有沿傾向增大的趨勢(shì)。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層含有1～5層夾矸，一般都含有2～4層夾矸，其中有兩層為高嶺石泥巖，分布在中上部。屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。煤層頂?shù)装寰蕴假|(zhì)粘土巖為主。

煤層中的高嶺石泥巖夾矸及由這兩層夾矸把煤層分成：下分層厚度最大，上分層次之，中分層最小的典型而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是確定該煤層的可靠依據(jù)。煤層厚度大，頂板厚度大，頂板粉砂巖泥巖（厚度一般大于10m）夾豐富的薄層狀菱鐵礦結(jié)核（通稱(chēng)“排骨層”）也是該煤層的對(duì)比標(biāo)志之一。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和實(shí)驗(yàn)室煤巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出煤柱相關(guān)力學(xué)參數(shù)。將數(shù)據(jù)帶入公式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮米籮礦三軟地質(zhì)條件和普采工程技術(shù)，安全系數(shù)設(shè)置為2.5，采動(dòng)系數(shù)數(shù)設(shè)為1.9。可得煤柱設(shè)計(jì)寬度為2.62m。

3213工作面回采巷道采用如上煤柱設(shè)計(jì)方法，通過(guò)后期6個(gè)月的位移監(jiān)測(cè)表明在受到長(zhǎng)期地應(yīng)力和煤層采動(dòng)力影響下：巷道頂?shù)装?、兩幫的位移量少量增加。頂板最大位移量?08mm，兩幫最大位移量為78mm，均在安全范圍內(nèi)。煤柱設(shè)計(jì)寬度為2.62m較原來(lái)減少0.38m，煤炭增產(chǎn)1207.5t，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。實(shí)踐證明使用新式煤柱設(shè)計(jì)法，巷道支護(hù)效果較好，經(jīng)濟(jì)效益明顯，為礦區(qū)的礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。

4 結(jié)論

基于巖石流變理論對(duì)煤巖體在固定載荷下隨時(shí)間破壞基理進(jìn)行描述，建立煤巖體流變破壞力學(xué)模型。結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，進(jìn)行物理相似模擬并推導(dǎo)出相應(yīng)的煤柱寬度設(shè)計(jì)公式。

通過(guò)對(duì)米籮礦3213工作面回采巷道6個(gè)月后期位移監(jiān)測(cè)表明：在受到持續(xù)地應(yīng)力和煤層采動(dòng)力影響下，巷道頂板最大位移量為108mm，兩幫最大位移量為78mm，均在安全范圍內(nèi)。這表明本文所建立的煤巖體流變力學(xué)模型、煤柱設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)比較合理。

煤巖體在不同載荷下強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)表明，在固定載荷下煤巖體強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)型下降，最后逐漸趨于平緩達(dá)到煤巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度值。根據(jù)煤巖體強(qiáng)度變化趨勢(shì)和巷道使用要求合理設(shè)計(jì)出來(lái)的煤柱寬度可以在確保巷道安全性的同時(shí)最大限度的降低煤巖損失，同時(shí)也為今后類(lèi)似情況下煤柱合理寬度的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫 鈞.巖石流變力學(xué)及其工程應(yīng)用研究的若干進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（6）：1081-1104.

[2] 孫 鈞，王貴軍.巖石流變力學(xué)研究的若干進(jìn)展[C]//中國(guó)巖石力學(xué)與工程—世紀(jì)成就.南京：河海大學(xué)出版社，2004：123-146.