護(hù)煤巷柱的研究與利用

胡秀明

（西山煤電西銘礦黨政辦 山西 太原 030000）

1 概況及問題的提出

西曲礦2#煤層是優(yōu)質(zhì)主焦煤，屬低硫低灰的優(yōu)質(zhì)資源，由于其賦存穩(wěn)定，頂?shù)装鍡l件較好，生產(chǎn)能力大，其洗精煤受到國內(nèi)外用戶的青睞，具有廣泛的市場。然而在生產(chǎn)過程中，煤柱的留設(shè)長期以來一直是憑經(jīng)驗(yàn)確定，沒有一個(gè)較為合理的確定方案，致使留設(shè)過小，巷道維護(hù)困難，給安全生產(chǎn)帶來不利影響；留設(shè)過大，資源丟失量大，采區(qū)回收率難以提高，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。煤炭資源的不可再生性、稀缺性和短期內(nèi)的不可替代性，決定了在煤炭生產(chǎn)過程中，煤炭開采的可持續(xù)發(fā)展的重要性，在大量投入人力、物力的情況下，盡可能的多出煤、出好煤，提高煤炭回收率。在我國統(tǒng)配煤礦中，每年巷道開掘總量約為8000km，其中回采巷道約占60%～65%。說明我國每年要沿煤層掘進(jìn)4800km～5200km的回采巷道，開掘量大，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，對回采巷道護(hù)巷煤柱的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

無論是煤層開采前已開掘的巷道或者在護(hù)巷煤柱內(nèi)布置巷道，煤柱寬度對煤柱的穩(wěn)定性和巷道維護(hù)的影響主要表現(xiàn)在以下兩方面：

一方面煤柱寬度決定了巷道與回采空間的距離，從而影響到回采引起的支承壓力對巷道的影響程度及煤柱單位面積的載荷；

另一方面煤柱的極限承載能力，不僅取決于煤柱的邊界條件和力學(xué)性質(zhì)，還取決于煤柱的幾何尺寸。煤柱周邊的極限承載能力較低，且隨著煤柱高度的增加而迅速降低。沿煤柱深部方向，極限承載能力顯著增高。煤柱的寬度及其高寬比，對煤柱的極限承載能力有很大影響，從而影響到煤柱的穩(wěn)定性和巷道的圍巖變形。

到目前為止，我國高瓦斯礦井中，采用綜合機(jī)械化采煤的回采工作面，其巷道布置形式一般采用兩進(jìn)一回或一進(jìn)兩回的通風(fēng)方式，所掘三條巷道為軌道順槽、皮帶順槽、尾巷。低瓦斯礦井有許多礦井由于沒有在順槽間留設(shè)合理的煤柱，一直困擾著生產(chǎn)的發(fā)展，嚴(yán)重威脅著礦井的正常生產(chǎn)，制約著機(jī)械化采煤工作面高產(chǎn)高效生產(chǎn)能力的正常發(fā)揮。而且還會造成回采巷道反復(fù)多次維修，翻修，不僅增加生產(chǎn)成本，甚至有些巷道不能再次利用，使礦井采掘比例嚴(yán)重失調(diào)，最終導(dǎo)致整個(gè)礦井不能正常生產(chǎn)。

巷道之間及巷道與回采工作面之間保留煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，近年來，我國的煤層巷道中，回采巷道、準(zhǔn)備巷道和開拓巷道大都仍沿用煤柱護(hù)巷。

煤柱的穩(wěn)定性取決于煤柱上的載荷、煤柱的寬度和形狀，以及煤柱和圍巖的力學(xué)性質(zhì)。煤柱的載荷取決于開采深度和煤柱周圍的采動狀況。煤柱寬度對煤柱的穩(wěn)定性和巷道維護(hù)的影響主要表現(xiàn)在：煤柱寬度決定了巷道與回采空間之間的距離，從而影響到回采引起的支承壓力對巷道的影響程度及煤柱單位面積的載荷；煤柱的寬度及其高寬比，對煤柱的極限承載力有很大影響，從而影響到煤柱的穩(wěn)定性和巷道的圍巖變形。

煤柱是作為保護(hù)礦井巷道，控制巖層移動和礦井隔離的常規(guī)方法，煤柱穩(wěn)定性是指在一定的時(shí)間內(nèi)、在一定的地質(zhì)力和工程力的作用下，煤柱由于應(yīng)力重新分布而僅出現(xiàn)變形，但并不產(chǎn)生破壞性的垮落和滑動。因此，就煤礦生產(chǎn)和安全而言，煤柱的合理留設(shè)問題至關(guān)重要，煤柱尺寸留設(shè)過大，造成資源浪費(fèi)，若留得過小，造成巷道多次破壞，多次維修，不僅使巷道維護(hù)費(fèi)用增加，而且常常影響生產(chǎn)，甚至造成安全事故，因此煤柱寬度的合理確定與煤礦的生產(chǎn)、安全以及礦井經(jīng)濟(jì)效益緊密相關(guān)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外確定護(hù)巷煤柱寬度的方法，主要有理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)估算及實(shí)測分析三種。各種理論計(jì)算的基本觀點(diǎn)都認(rèn)為煤柱的寬度必須保證煤柱的極限載荷不超過煤柱的極限強(qiáng)度，使煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。但缺乏對煤柱的穩(wěn)定性與巷道維護(hù)之間的關(guān)系及其影響因素的闡述，國內(nèi)外估算護(hù)巷煤柱寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，都以煤柱寬度為開采深度的主函數(shù)，對影響煤柱及巷道穩(wěn)定性的其他重要因素都沒有涉及。實(shí)測分析法通過井下實(shí)測得到各類巷道在不同的開采深度、圍巖性質(zhì)、采支狀況及服務(wù)年限等條件下，巷道的圍巖變形量（μ）與護(hù)巷煤柱寬度（Β）之間的關(guān)系。μ—Β關(guān)系式和曲線較全面地概括了影響巷道穩(wěn)定性的基本因素，能直接反映不同煤柱寬度時(shí)巷道的維護(hù)效果，是目前選擇煤柱寬度比較實(shí)用的方法[1]。

煤柱護(hù)巷的問題在我國應(yīng)用較早，國內(nèi)對此做了大量的研究工作，所取得的結(jié)論基本上是一致的，內(nèi)容如下[2]：

1）沿空掘巷不僅在掘巷期間圍巖強(qiáng)烈變形，而且在巷道掘出后仍保持較大速度的持續(xù)變形，這種變形要比完全沿空掘巷大；

2）認(rèn)為巷道的壓力主要來自煤柱一側(cè)，破壞了的煤柱不僅對頂板起不到支護(hù)作用，相反，使巷道維護(hù)極為不利；

3）煤柱巷道中的煤柱可以改善巷道掘進(jìn)條件，加快掘進(jìn)速度以及隔離采空區(qū)，在防止矸石和采空區(qū)積水進(jìn)入巷道方面是有利的。

國內(nèi)外護(hù)巷煤柱寬度的理論計(jì)算方法有按煤柱的允許應(yīng)力，煤柱能承受的極限載荷，以及按煤柱應(yīng)力分布計(jì)算等多種。各種理論計(jì)算的基本觀點(diǎn)都認(rèn)為煤柱的載荷來自上覆巖層及采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的重量，煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷不超過它的極限強(qiáng)度，使煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

1）英國威特克（Wittaker）認(rèn)為煤柱平均應(yīng)力σ反映了煤柱的受力狀態(tài)，凡作用于煤柱的平均應(yīng)力達(dá)到煤柱的極限強(qiáng)度R時(shí)，煤柱就處于極限平衡狀態(tài)，如公式1-1所示，此時(shí)求得的煤柱尺寸，應(yīng)是煤柱的極限寬度。

煤柱的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性與煤柱的形狀和尺寸有密切關(guān)系，威特克應(yīng)用了沙拉蒙和穆尼奧的研究結(jié)果得出了如下公式：

其中式中：

P—煤柱上總載荷，kN；

δ—采空區(qū)上覆巖層垮落角，0；

γ—上覆巖層平均容重，KN/m3

R—寬度為B、高度為h的巖柱強(qiáng)度，Mpa；

Rc—邊長1英尺的立方體巖柱的單軸抗壓強(qiáng)度，Mpa；

B—煤柱寬度，m；

h—煤柱高度，m；

威特克認(rèn)為煤柱上的應(yīng)力是由煤柱上覆巖層重量及煤柱兩側(cè)采空區(qū)轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分懸垂巖層重量引起，此時(shí)煤柱寬度的計(jì)算公式為：

設(shè)某礦的 H=600m，h=5m，L=180m，δ=31°，γ=25kN/m2，代入上式，可求得煤柱的極限寬度B為85m，取安全系數(shù)為1.5，則得煤柱寬度為127.5m，顯然用此方法計(jì)算所得的煤柱寬度過大，與現(xiàn)場實(shí)踐不符。同時(shí)這種理論計(jì)算法缺乏對煤柱穩(wěn)定性與巷道維護(hù)之間的關(guān)系及其影響因素的研究，難以廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)和開采條件。

2）英國大多以煤柱寬度為開采深度的主要函數(shù)，即按上覆巖層重量作為選擇煤柱寬度的依據(jù)。獲得應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中

B—煤柱寬度，ft；

H—礦井開采深度，ft。

該式折合成SI單位為：

3)在美國一些地區(qū)獲得應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中

M—煤柱高度，ft。

該式折合成SI單位為：

4）英國的Wilson根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和現(xiàn)場煤柱觀測總結(jié)而提出了煤柱寬度的設(shè)計(jì)公式，把煤柱在寬度方向分成兩個(gè)區(qū)，即中心承受三向應(yīng)力，表現(xiàn)為彈性的煤柱核區(qū)和雖然出現(xiàn)了裂隙，但限制核區(qū)側(cè)向移動的屈服區(qū)。

實(shí)踐和理論都已表明，煤柱強(qiáng)度不僅與煤柱試塊的單軸強(qiáng)度、煤柱長度、寬度和高度等有關(guān)，并且還與煤柱弱面、頂?shù)装鍘r性和煤柱側(cè)應(yīng)力等圍巖體系因素有密切關(guān)系。

若煤柱長、寬尺寸大，則相對的邊界自由面小，因改變了煤柱內(nèi)部受力狀態(tài)，從而大幅度地提高了煤柱的承載能力。實(shí)踐中，相同采出率條件下的條帶煤柱較房柱煤柱穩(wěn)定也證明了這一點(diǎn)。煤柱高度愈小，煤柱強(qiáng)度就愈大，穩(wěn)定性就愈好；反之，煤柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性就差。Wilson提出的計(jì)算公式來源現(xiàn)場調(diào)查，煤柱寬度、高度等因素對煤柱的影響在公式中得到了體現(xiàn)，在每個(gè)實(shí)例計(jì)算中得到了證實(shí)。

Wilson條帶煤柱寬度設(shè)計(jì)方程為：

式中

L1─煤柱寬度，m；

L2─采出寬度，m；

m─采高，m；

H─采深，m；

K─安全系數(shù)，取0.5。

3 研究內(nèi)容

目前，我國煤礦生產(chǎn)中大都采用經(jīng)驗(yàn)法確定煤柱的寬度，對生產(chǎn)缺乏指導(dǎo)意義，而煤柱的留設(shè)寬度與煤柱的強(qiáng)度、弱面情況、頂板巖性、采深、采高等諸因素有關(guān)，必須進(jìn)行實(shí)地礦壓觀測及合理的理論才能確定。

實(shí)測分析方法則是通過實(shí)測得到各類巷道在不同地質(zhì)開采條件下的圍巖變形量及其與護(hù)巷煤柱寬度的關(guān)系，并以巷道的穩(wěn)定性（圍巖變形量，斷面收縮率）作為衡量護(hù)巷煤柱寬度合理性的主要指標(biāo)。受采動影響巷道的圍巖變形量由采動期間的附加變形量和采動趨向穩(wěn)定期間的圍巖流變所組成。護(hù)巷煤柱寬度較小、服務(wù)期限較短的區(qū)段巷道，附加變形量占總變形量的比重較大，附加變形量基本上可以反映煤柱寬度與巷道維護(hù)的關(guān)系。對于服務(wù)期較長、煤柱寬度較大的主要巷道，采動影響期間的圍巖流變量的比重較大，所以一般應(yīng)以總變形量作為衡量煤柱寬度合理性的指標(biāo)。

3.1 研究的主要內(nèi)容

1）研究巷道維護(hù)影響因素；

2）研究礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)（規(guī)律）；

3）依據(jù)西曲礦2#煤層的具體地質(zhì)情況，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)的手段，對西曲礦2#煤層煤柱寬度進(jìn)行相似模擬；

4）針對影響因素，依據(jù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律確定合理的護(hù)巷煤柱尺寸范圍。

3.2 技術(shù)路線

本課題采用現(xiàn)場觀測、理論分析和相似模擬相結(jié)合的研究方法，首先研究回采工作面巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而對煤柱應(yīng)力分布適應(yīng)性進(jìn)行分析，以尋求最佳支護(hù)方式，得到合理的回采煤柱留設(shè)尺寸。

4 研究的意義

回采巷道是回采工作面的咽喉，其支護(hù)、維護(hù)的狀況直接影響回采工作面的生產(chǎn)效率和安全情況，在回采開采時(shí)，護(hù)巷煤柱的大小對煤炭損失的影響較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采區(qū)煤柱的損失量占到采區(qū)煤炭損失的36.7%，因此，合理留設(shè)煤柱并采取合理的支護(hù)方式，對提高煤炭回收率，保證工作面的高產(chǎn)高效，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。