論深井巷道保護(hù)煤柱留設(shè)寬度計(jì)算方法

高長(zhǎng)富

（龍煤集團(tuán)龍煤集團(tuán)雞西分公司東山煤礦分公司東山煤礦，黑龍江 雞西 158100）

1 概述

留設(shè)保護(hù)煤柱是保護(hù)巷道，使其不受開(kāi)采動(dòng)壓影響，保持巷道良好穩(wěn)定狀態(tài)，滿足安全生產(chǎn)的一個(gè)重要方法。

煤柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)煤（巖）層的控制有極大的影響。它的強(qiáng)度必須保證煤柱承受荷載過(guò)程不受破壞，方可保證布置在煤柱內(nèi)的巷道不受破壞，保持穩(wěn)定狀態(tài)。

在特定煤（巖）層中，煤柱的強(qiáng)度，取決于煤柱的尺寸，而煤柱的高度一般等于煤層的厚度，故煤柱的強(qiáng)度只取決于其寬度。

因此，合理確定煤柱寬度，留設(shè)煤柱是保證井下巷道良好穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)重要保證。

2 煤柱的用途及設(shè)計(jì)方法

煤柱是用于支護(hù)巷道，保持巷道穩(wěn)定的，所以應(yīng)設(shè)計(jì)成經(jīng)歷整個(gè)開(kāi)采過(guò)程，即巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)承受荷載不被破壞。

2.1 煤柱的荷載煤柱受荷載過(guò)程分兩個(gè)階段

一是巷道開(kāi)鑿后立即產(chǎn)生的荷載。二是回采過(guò)程中產(chǎn)生的支撐壓力。

2.1.1 開(kāi)采前的荷載

巷道開(kāi)掘后即在巷道周邊煤巖柱上產(chǎn)生一荷載，開(kāi)采前煤柱的荷載為煤柱體上方覆蓋巖層的重量P。

式中：P-煤柱總荷載t

Wp-煤柱寬度m

Wo-巷道寬度m

Lp-煤柱長(zhǎng)度m

h-覆巖層厚度m

r-巖層容重t/m3

2.1.2 回采過(guò)程中產(chǎn)生的荷載

長(zhǎng)壁后退工作面回采時(shí)在工作面周圍和護(hù)巷煤柱上，將產(chǎn)生支撐壓力，其值等于P2=Krh（K-應(yīng)力系數(shù)），支承壓力沿煤柱（體）壁面附近最高，深入到煤柱中心則減小，其分布規(guī)律見(jiàn)圖1。

最大峰值 Pzmax-（2-5）hr

煤柱的荷載即是開(kāi)采前荷載與開(kāi)采過(guò)程的最大支承壓力之和。

根據(jù)井下實(shí)際觀測(cè)和研究結(jié)果表明其平面波及范圍達(dá)60m-150m。

由于回采過(guò)程中產(chǎn)生的荷載遠(yuǎn)大于開(kāi)采前的荷載，所以說(shuō)，支撐壓力對(duì)煤柱的破壞及布置在煤柱區(qū)域內(nèi)的巷道破壞起主要作用。

要想保持煤柱內(nèi)巷道圍巖不受破壞，必須保持護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定，煤柱的強(qiáng)度要大于煤柱的荷載。

2.2 煤柱寬度的選擇依據(jù)

由于煤柱的強(qiáng)度主要取決于煤柱的寬度，合理選擇煤柱寬度是保證煤柱強(qiáng)度，保持巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。

目前采用的護(hù)巷煤柱有窄煤柱和寬煤柱兩種形式。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)井下實(shí)測(cè)資料及研究結(jié)果表明:（1）窄煤柱巷道位于回采引起的支撐壓力峰值區(qū)附近，不僅在采動(dòng)期間圍巖變形十分強(qiáng)烈，而且在采動(dòng)趨向穩(wěn)定，支撐壓力衰減期間圍巖變形仍很大，巷道維護(hù)十分困難。（2）寬煤柱巷道在回采強(qiáng)影響期間變形比較緩和，且隨采動(dòng)影響的減弱，支撐壓力下降，巷道圍巖變形就趨向穩(wěn)定，巷道維護(hù)較容易。

2.3 寬煤柱護(hù)巷煤柱寬度的確定方法

寬煤柱護(hù)巷在我國(guó)的實(shí)踐研究較小，沒(méi)有可供使用的煤柱寬度計(jì)算方式，煤柱寬度的確定，一般借鑒美國(guó)和英國(guó)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算并與我們實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合。

美國(guó)阿什列（礦山檢查員）公式

式中WP-邊界煤柱寬度 m

H-煤柱（層）厚度 m

h-上覆巖層厚度（采深）m

壓力拱公式

式中：Wpa-最大壓力拱最小寬度

Wt-多條巷道和間隔之煤柱總寬度

英國(guó)煤礦工作者經(jīng)驗(yàn)公式

3 保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及改進(jìn)

東海煤礦是一個(gè)有50多年開(kāi)采歷史的老礦，井深、巷遠(yuǎn)、地壓大。現(xiàn)開(kāi)采深度平均900m以上，最大開(kāi)采深度達(dá)1100m，屬典型深井開(kāi)采。巷道支護(hù)極困難，由于特定條件所限，我礦大部分主要巷道均布置在煤層或距煤層較近的巖層中，而留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度較小，一般在40-60m。受采動(dòng)壓力影響較大，巷道支護(hù)雖采用了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨帶網(wǎng)+錨索+噴砼等組合支護(hù)方式，但巷道受采動(dòng)壓力影響破壞嚴(yán)重，冒頂片幫底鼓嚴(yán)重。巷道需經(jīng)多次維修支護(hù)，維修量大，費(fèi)用高每米維修費(fèi)用平均達(dá)1500-2000元，每年支出費(fèi)用高達(dá)400多萬(wàn)元，且影響生產(chǎn)、威脅安全，嚴(yán)重影響企業(yè)健康發(fā)展。所以確定合理的煤柱寬度是確保巷道穩(wěn)減少費(fèi)用降低成本保證安全生產(chǎn)的一個(gè)重要途徑。

我礦現(xiàn)采用的煤巷設(shè)計(jì)方法及計(jì)算公式：

我礦井下巷道（采區(qū)上、下山、主運(yùn)巷、石門）留設(shè)保護(hù)煤柱采用依據(jù)和計(jì)算方法是我國(guó)煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》之第81條-90條有關(guān)規(guī)定。

式中：S-煤柱總寬度；m

S1-巷道保護(hù)煤柱的水平寬度；m

a-受護(hù)斜巷，巷道寬度的一半；m

H-巷道的最大重深；m

M-煤厚；m

Rc-煤的單向抗壓強(qiáng)度，Mpa存在的問(wèn)題

采用巖層移動(dòng)設(shè)計(jì)和公式（6）

計(jì)算的保護(hù)煤柱寬度值較小

隨著采深的加大，支撐壓力加大，顯現(xiàn)劇烈，波及范圍廣，平面?zhèn)鞑ゾ嚯x達(dá)120m以上，（向下傳播距離達(dá)60m以上）。例如：五采區(qū)32#層四段絞車道在標(biāo)高-640m-690m段（采深860m-910m），距實(shí)際煤柱線達(dá)80m，其采動(dòng)壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖變形量大，破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)冒落，片幫底鼓，巷道變形量達(dá)40%以上，而煤柱寬度為60-70m的風(fēng)道，皮帶道和布置在底板巖層中的聯(lián)絡(luò)石門車場(chǎng)，（距煤層14-40m，煤柱線60m）其破壞程度更為嚴(yán)重，且巷道多處壓垮，最大變形量達(dá)70%以上，平均變形量50%巷道修復(fù)工程量多，難度大，投資高，無(wú)法保證安全生產(chǎn)。在五采區(qū)35#層巷道和六采區(qū)32#層的巷道等也出現(xiàn)了同樣狀況，嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)。

建議改進(jìn)計(jì)算方法，確定合理煤柱寬度：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況反映出我礦現(xiàn)采用的煤柱設(shè)計(jì)計(jì)算方法，不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況需要，留設(shè)的煤柱寬度不夠，沒(méi)有使巷道布置在應(yīng)力變形的平穩(wěn)區(qū)內(nèi)，致使巷道承受了K值加大的支承壓力，變形量大，無(wú)法保持良好的狀態(tài)。為此，應(yīng)采用符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的保護(hù)煤柱計(jì)算方法和公式，確定合理的煤柱寬度。

建議采用公式（2）（3）（4）之一公式計(jì)算保護(hù)煤柱寬度。

示例：以五采區(qū)32#層采區(qū)下山為例，取采深800m和1000m，煤層厚度1.7m。

使用公式（3）

以上計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果所得的煤柱寬度和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐保證巷道穩(wěn)定所需煤柱寬度相吻合，且由于寬煤柱在采區(qū)報(bào)廢時(shí)可以有計(jì)劃的進(jìn)行回收，故對(duì)資源回收率不造成影響。所以采用以上方法計(jì)算保護(hù)煤柱的寬度，以確定合理可靠的煤柱寬度，達(dá)到有效支護(hù)巷道，保持巷道穩(wěn)定的要求。

[1]吳長(zhǎng)春.淺析煤礦開(kāi)采系統(tǒng)中的機(jī)械化[J].黑龍江科技信息，2008-04-25.

[2]康志紅.淺談煤礦開(kāi)采沉陷區(qū)的綜合治理措施[J].中國(guó)管理信息化，2011-09-01.