孤岛综采工作面护巷煤柱理论技术研究

陈立军（河南理工大学能源科学与工程学院）

摘要：随着煤炭产量的不断提升，造成采掘接替紧张，煤矿将回采边角煤柱，煤柱通常情况下位于采空区边缘，分为可回采和不可回采两种。回采煤柱时容易引起采空区边缘的顶板的跨落，造成煤柱采空区一侧处于破碎区。巷道在掘进期间，巷道的周边应力不断向巷道两侧转移，作用在煤柱体上，这种转移特别显现，破碎区的应力也会重新分布，导致煤柱承载能力不断下降。因此，通过对需要留设煤柱的综采工作面提供基础理论，确保工作面在回采过程中，避免因周围压力而影响工作面安全回采。

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关键词 ：孤岛护巷煤柱综采宽度

1 工作面概况

鹤壁煤业集团第六煤矿21072 工作面位于南一采区，煤层为二叠系山西组二1 煤层，东为2109 煤柱、2109采空区；西部为2105 采空区、南为2707、2109 采空区；北为209 采区皮带下山和209 采区轨道下山。根据21072工作面内92 个实探煤厚点和70-3、682-2、71-14、71-13 四个地质勘探钻孔分析，可以将该工作面的煤厚分为四个块段：A1 块段煤厚为7.8m、A2 块段煤厚为8.4m、A3 块段煤厚为6.4m、A4 块段为实体煤煤厚为9.5m。

2 影响煤柱稳定的因素

由于煤岩性质和煤柱内部的多种不连续、不规则面构成的煤柱，其稳定性取决于这两者及煤柱的外部地质条件（初始构造应力、顶底板约束情况、地下水等）[2]。多年来国内外专家及学者通过理论推导、实验室煤岩试块强度的测定及数值模拟实验等手段来测定煤柱强度从而确定其稳定性，到现在还没有得到普遍适用的公式[3]。在分析某个煤柱的强度时要具体情况具体分析，以煤岩材料和煤柱所处的外部地质环境为准，不能一概而论。因此，选取了二个重要的、具有普遍影响煤柱稳定性的因素进行分析。

2.1 煤柱强度的尺寸

根据Hustrulid（1976）研究，实验室数据可用下述公式换算为现场立方体试件的强度值：

①现场立方体煤柱边长h 小于0.9m 时：

式（2）中：σc，实验室测试单轴强度，MPa；σm，现场临界立方体试件单轴强度，MPa；D，实验室试件直径或立方体边长，m。

实验结果表明：煤柱的强度不是一成不变的，随着D（宽度） /H（高度）比值变化而变化，当D（宽度）/H（高度）比值增加时，煤柱强度也会增大，反之亦然。而且煤柱越宽，水平应力也会越高。

由此得出煤柱的强度和稳定性与煤柱的宽高比值有关。要想提高煤柱的强度就需要将煤柱的宽高比值设定在较小的范围内，这时煤柱与顶底板相互作用而产生的端面约束影响范围较大，相当于在煤柱上施加了侧向约束力，间接的提高了煤柱强度。根据统计得知，煤柱强度（σp）是随煤柱宽高比值（D/H）增加而增大，这种增大是有一定范围限制的，当煤柱宽高比达到8 以上时，煤柱强度基本不再增大[4]。如图1 所示：

一般情况下，煤柱压缩变形的趋势随着煤柱宽高比值在不断变化[5]，但当煤柱宽高比值达到3 以上时，煤柱压缩变形基本保持不变，煤柱压缩变形量很小，压缩变形量不超过10mm/m，如图2 所示：

图2 煤柱压缩变形渊mm窑m-1冤与宽高比之间的关系2.2 开采深度对煤柱稳定性的影响

在相同地质条件下，煤岩及煤柱内部结构及所处的外部条件基本一致，在同样开采方法和采高条件下，煤柱的稳定性主要取决于埋藏深度。如图3 所示。由图可知在相同地质条件下，煤柱的安全因子随着埋藏深度的增加而降低，在100m 埋深时安全因子为2.0；当埋深达到250m时，安全因子只有0.8 左右，由此可见，埋藏深度直接影响着煤柱的稳定性。

3 煤柱宽度的确定

3.1 经验公式分析

在无支护参数情况下，采用煤柱护巷，需留设较大的煤柱。在以往的设计中，考虑采动的影响，保持稳定状态的极限煤柱宽度可用下式计算：

B1=15.43+0.098H（σc＜10MPa） （3）=8.43+0.046H（10MPa≤σc≤20MPa）=5.34+0.032H（σc≥20MPa）式中：B1———煤柱的最小宽度，m；H———巷道埋设深度，m；σc———煤层的单向抗压强度，MPa。

由于煤层的f=1.3，则σc=13MPa，所以用公式B1=8.43+0.046H，H=450m，代入可得B1=29.13m。因此，在无支护参数时，留设保护煤柱最小为29m。

3.2 辅助面积理论

目前，辅助面积理论以其简单方便的确定煤柱载荷而得到了广泛的应用。该理论假设：一个煤柱均匀支撑着煤柱上覆岩层的重量，并且支撑着煤柱两侧巷道宽度一半范围内的岩石重量。

①巷道掘进后产生的载荷

P=(a+D)γH （4）

式中：P———为煤柱载荷，MN/m；a———为煤柱宽度，m；D———巷道宽度，m（D=4.5m）；γ———上覆岩层平均密度，MN/m（3 γ=0.025MN/m3）；H———为采深，m（H=450m）。

②煤柱应力计算

假设作用在煤柱上的载荷是均匀分布，则煤柱上的平均应力为：

③煤柱强度计算

根据研究表明，煤柱强度与煤试样的强度、煤柱宽高比有关，并且与煤试样的强度、煤柱宽高比成正比，随着煤柱宽高比的增大而增加。而且通常采用煤柱强度的经验公式Obert-Dwvall/Wang，计算式可表示为：

式中：σp———煤柱强度，Mp；σc———煤柱原位临界立方体单轴抗压强度，MPa（σc =13MPa）；a———煤柱宽度，m；h———煤柱高度，m （h=6m）；A，B 为常数(A=0.678，B=0.322)。

则，煤柱强度计算公式变为：

④煤柱安全系数

在煤柱设计时，其安全系数采用下式计算:

式中：F———安全系数，一般取1.3~2.0，（F=1.5）；通过上面公式计算得出，煤柱的宽度a=24.18m。

4 结论

①煤矿开采中，确定合理的煤柱尺寸对于确保煤矿安全开采，保护工人的生命安全有着重要意义。目前计算煤柱尺寸的方法尚未完全确立，主要依靠现场实际经验确定。在留设护巷煤柱时，巷道的掘进最佳时间是采空区煤岩体活动终止，应力重新分布趋于稳定。巷道掘进的最佳位置避开应力集中区，增加煤柱弹性核，有利于巷道的掘进和支护，减少支护材料，降低维护费用，保证巷道在回采期间处于稳定状态。

②煤柱的应力和变形主要由三个因素决定，即护巷煤柱的宽度、巷道的支护形式和断面形状。随着巷道的开挖，煤柱附近的应力就会重新分配，就会给煤柱带来破坏，同时工作面回采的采动也会对煤柱产生一定程度的损坏。这项实验为后续模拟提供了理论依据。因此，数值模拟主要研究巷道掘进和回采过程中，不同宽度的护巷煤柱的破坏情况。

③巷道在掘进影响期间，围岩变形主要是掘巷引起的应力在较低程度上的调整、集中所造成；采动影响时，巷道的围岩变形主要是因为巷道上覆岩层结构的稳定状态发生改变，引起巷道外部力学环境变化，进而造成巷道围岩应力的强烈集中。

④通过经验公式、辅助面积理论分别计算煤柱尺寸，综合各公式的计算结果， 确定煤柱宽度的范围在20m~30m 之间。

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参考文献：

[1]陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，1994:135-145.

[2]高路，伍德儒.综放面沿空巷道围岩控制[J].矿山压力与顶板管理，2001(2):52-54.

[3]石平五，许少东.综放沿空掘巷矿压显现规律研究[J].矿山压力与顶板管理，2004，21(1):31-34.

[4]霍灵军，王晨，黄汉富.小煤柱二次承压巷道的矿压显现规律研究[J].矿山压力与顶板管理，2002，19(2):78-80.

[5]张永灿，杨玉生，王和平，等.综放工作面巷道布置的合理性分析[J].中州煤炭，1999(3):10-11.

[6]马其华，郭忠平.综放面矿压显现特点与沿空掘巷可行性[J].矿山压力与顶板管理，1997(z1):150-151.

[7]传团，张绍敏.回采巷道合理煤柱尺寸的确定[J].煤矿开采，2002，7(4):49-51.

[8]康疆.沿空巷道煤柱宽度参数的研究与应用[J].科技信息，2007(6):207.

[9]陈金国.不稳定围岩区段煤柱尺寸的确定[J].矿山压力与顶板管理，2000(4):40-42.

[10]吴立新，王金庄.煤柱宽度的计算公式及其影响因素分析[J].矿山测量，1997(1):12-15.

作者简介：陈立军（1982-），男，黑龙江大庆人，采矿工程师，河南理工大学能源学院在职研究生，研究方向院巷道支护和瓦斯治理。