舊采區(qū)域內(nèi)遺留煤柱及空巷穩(wěn)定性分析

郭曉彥

(西山煤電(集團)公司 屯蘭礦，山西 太原 030200)

1 舊采區(qū)概況

山西忻州神達望田煤業(yè)有限公司位于保德縣城東南6 km處，由保德縣望田煤業(yè)有限公司、保德縣德能煤業(yè)有限公司、保德縣德源煤炭有限責(zé)任公司及新增區(qū)整合而成。望田煤業(yè)8#煤屬于厚煤層，兼并重組前由于受自身裝備水平以及開采技術(shù)條件的限制，一直使用反復(fù)送巷、擴幫的巷柱式開采法，在井下遺留大量煤柱，對煤炭資源造成的浪費，導(dǎo)致井田內(nèi)8#煤層的完整性受到嚴重破壞，在底煤中會形成“空巷-煤柱-空巷”結(jié)構(gòu)，遺留煤柱尺寸一般約為8～20 m，空巷跨度一般在2～8 m。殘留的空巷上方頂煤搭接在煤柱上方呈空頂狀態(tài)，在舊采區(qū)進行殘采時，判斷空巷之間的煤柱以及空巷上方頂板是否穩(wěn)定，即判斷煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度以及空巷的最大跨度是有必要的。

2 舊采區(qū)空巷頂板穩(wěn)定性分析

井下空巷問題一直是影響工作面安全回采的難題，而舊采區(qū)殘采工作面常會遇到工作面過空巷情況。由于舊采區(qū)經(jīng)過長時間擱置以及受礦山壓力作用，需要對舊采區(qū)內(nèi)空巷的穩(wěn)定性做出判斷。空巷頂板的完整性對支護方案的選擇以及安全技術(shù)措施的制定起著重要作用。通過建立空巷頂板力學(xué)模型，計算出望田煤業(yè)空巷頂板的極限跨度，進而從理論上預(yù)測舊采區(qū)內(nèi)空巷頂板的完整情況。

梁的理論是計算與分析巷道和工作面極限懸露跨度的重要理論，也是應(yīng)用較為廣泛的理論之一，故選用該理論計算厚煤層空巷上方的厚頂煤的極限跨距，兩端固支梁受力分析見圖1。

M—該點所在端面的彎矩 y—該點離中性軸的距離 Iz—對稱中性軸的斷面距

根據(jù)材料力學(xué)中兩端固支梁受力計算公式可以求得頂煤內(nèi)任意一點的正應(yīng)力σ為：

(1)

兩端固支梁的最大彎矩發(fā)生在其兩邊端部，則最大拉應(yīng)力σmax為：

σmax=qL2/2h2

(2)

當(dāng)最大拉應(yīng)力大于等于該處的抗拉極限強度時，頂煤將在此處發(fā)生拉裂，從而可求得頂煤發(fā)生斷裂時的極限跨度L極：

(3)

式中：

RT—頂煤抗拉強度；

q—頂煤自重與上方巖層產(chǎn)生載荷的總和。

頂煤在受自重作用影響的同時，還要受到其上方巖層間相互作用而產(chǎn)生的載荷，式(3)中的q可依據(jù)組合梁理論得出載荷計算公式：

(4)

式中：

h1,h2…h(huán)n—各巖層厚度，m；

E1,E2…En—各巖層彈性模量, GPa；

γ1,γ2…γn—各巖層體積力，kN/m3。

當(dāng)利用式(4)計算得到(qn+1)1<(qn)1時，則以(qn)1作為作用于頂煤所承受的載荷，進而可以將(qn)1代入式(3)，從而可以求出空巷上方頂煤的最大跨度。望田煤業(yè)8#煤層及其上方巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)表

將表1中各煤巖層力學(xué)參數(shù)帶入式(4)，可得：

空巷上方頂煤本身的載荷q1為：

q1=γh1=14.3×3.65=52.2 kPa

考慮空巷上方第2層對頂煤的作用，進而可求得載荷為：

考慮空巷上方第3層對頂煤的作用，進而可求得載荷為：

考慮空巷上方第4層對頂煤的作用，進而可求得載荷為：

則：(q4)1<(q3)1

在殘采工作面前方僅有一條空巷存在或空巷之間相隔較遠時，可按固支梁模型計算空巷頂板跨度。將頂煤抗拉強度和計算出的頂煤所受載荷代入式(3)可求出頂煤的極限跨距為：L極=10.8 m。

3 空巷群之間煤柱的穩(wěn)定性分析

望田煤業(yè)8#煤層為厚煤層，舊巷柱式采煤法沿煤層底板擴幫開采后，在底煤中遺留的煤柱支撐著采空區(qū)上覆煤巖層結(jié)構(gòu)，形成“空巷-煤柱-空巷”區(qū)，也稱為空巷群，在殘煤開采工作面回采過程中極有可能會遇到空巷群。如果煤柱有足夠的穩(wěn)定性，可以保證殘采工作面推進過程中空巷帶的穩(wěn)定性，進而保證順利推進；如果殘留煤柱不能有效地支撐上覆巖層，則在開采以前或推進過程中，煤柱可能失穩(wěn)破壞導(dǎo)致空巷帶破壞造成工作面難以推進甚至造成事故傷害。為此，殘采工作面能否安全順利通過空巷帶，空巷之間煤柱的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性影響。通過建立力學(xué)模型以及理論分析和計算，從而初步判斷望田煤業(yè)8#煤層空巷群之間煤柱的穩(wěn)定性。

3.1 煤柱分析

煤柱體自開采后形成直到發(fā)生破裂失穩(wěn)是一種量變到質(zhì)變的積累過程，在不同時期作用于煤柱體上的應(yīng)力分布不同。

1) 未破壞前應(yīng)力分布。

未開采以前煤層保持完整狀態(tài)，煤體所承受載荷為上覆煤巖體的自重，呈均勻分布，此時為原巖應(yīng)力狀態(tài)，見圖2。

圖2 實體煤狀態(tài)受力情況圖

2) 煤柱受力分析。

準備工作就緒后，我們利用班會課給大家公布了“先鋒車站”的行事原則，也任命了小劉的職務(wù)，最后，由小劉宣布“車站”正式成立。先鋒車站的故事就這樣拉開了帷幕。

實現(xiàn)殘采工作面的安全順利推進，首先要確定切眼前方空巷群間煤柱的穩(wěn)定能力，而遺留煤柱的寬度是影響其穩(wěn)定能力的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定煤柱中所受支承壓力情況見圖3。

Ⅰ—破裂區(qū) Ⅱ—塑性區(qū) Ⅲ—彈性核區(qū)

由圖3可知，在煤柱兩側(cè)邊緣部位容易形成集中應(yīng)力，由于礦山壓力的作用，一般將煤柱劃分為三區(qū)，從煤柱邊緣向其內(nèi)部依次劃分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。

3.2 穩(wěn)定煤柱寬度

采用在計算煤柱極限彈性區(qū)時能夠?qū)⒚褐陨淼膽?yīng)變軟化性質(zhì)以及主應(yīng)力的影響考慮在內(nèi)的且更符合厚煤層中巷道的圍巖變形特征的擴展SMP準則，來計算煤柱極限彈性區(qū)寬度，擴展SMP準則在符合Mohr-Coulomb屈服準則的同時，不僅克服了偏平面中Mohr-Coulomb準則的奇異性，而且解決了Drucker-Prager準則的礦壓強度相等性問題。

Matsuoka在20世紀90年代對只適合無黏性材料的SMP準則做出了修改，在主應(yīng)力表達式中引入了黏結(jié)應(yīng)力σ0(σ0=C·cotφ,其中c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角)，使之能適用于c-φ材料，稱為擴展SMP準則，則基于擴展SMP準則的平面應(yīng)變條件下的黏性材料的破壞準則是：

(5)

兩條空巷間的煤柱所受的支承壓力基本上可以看成對稱分布，故可取彈性區(qū)的一半進行研究，煤柱左半部分彈性核區(qū)受力情況見圖4。

圖4 煤柱中部左端支承應(yīng)力分布圖

在實際生產(chǎn)過程中，由于井下煤層的埋藏深度遠遠大于煤層的厚度，可將水平應(yīng)力σx近似的看成是均勻分布的，將垂直應(yīng)力σy沿著煤層厚度的方向近似看成是不發(fā)生變化的。根據(jù)以上假設(shè)，應(yīng)用彈塑性力學(xué)中最大主應(yīng)力公式及應(yīng)力函數(shù)，可得到彈性區(qū)內(nèi)任意一點的最小與最大主應(yīng)力。由圖4可知，煤柱彈性區(qū)在y=M/2，x=0處分別取得最小與最大主應(yīng)力，計算公式分別為：

(6)

(7)

式中：

η—側(cè)壓系數(shù)；

M—煤柱高度,m；

μ—泊松比；

φ—內(nèi)摩擦角,(°)；

C—黏聚力,MPa；

K2—應(yīng)力集中系數(shù)，取1～3。

將公式(6)及(7)代入公式(5)中，可得擴展SMP準則下煤柱彈性區(qū)寬度計算公式，彈性區(qū)左半部分長度x0為：

x0=

(8)

式中：

Q=8 tan2φ+9

η=μ/(1-μ)

σ0=Ccotφ

望田煤業(yè)殘采工作面的埋藏深度在200 m左右，容重γ為2.5×104N/m3，實測煤的物理力學(xué)參數(shù)：3#煤的抗壓強度為7.78 MPa，黏聚力為1.2 MPa，泊松比為0.27，內(nèi)摩擦角為37°，將以上各參數(shù)代入式(7)可以得出:x0=1.71 m。依據(jù)理論計算與實測分析，煤柱穩(wěn)定時的彈性核區(qū)率ρ=65%，從而可以求出煤柱寬度B=2x0/ρ=5.31 m，取5.5 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和原小煤礦技術(shù)資料分析，舊采區(qū)內(nèi)遺留煤柱尺寸多在6～20 m，從而可知殘采工作面前方空巷群之間的煤柱基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)彈性梁理論對舊采區(qū)空巷極限跨度進行計算，殘采工作面遇到單一空巷時，空巷最大跨度為10.8 m。

2) 殘采工作面遇到多條相鄰空巷時，可以看成簡支梁模型，空巷最大跨度為8.8 m。

3) 運用擴展SMP準則對空巷之間煤柱穩(wěn)定性進行分析，巷間煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度為5.5 m。

參 考 文 獻

[1]賀廣零，黎都春.采空區(qū)煤柱一頂板系統(tǒng)失穩(wěn)的力學(xué)分析[J].煤炭學(xué)報，2007(9)：898-901.

[2]翟新獻,錢鳴高,李化敏，等.小煤礦復(fù)采煤柱塑性區(qū)特征及采準巷道支護技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004，23(24):37-38.

[3]鄒友峰,柴華彬.我國條帶煤柱穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及存在問題[J].采礦與安全工程學(xué)報,2006,23(2): 141-145.

[4]蔣 坤，家 林，朱衛(wèi)兵，等.條帶采寬對地表沉陷影響的數(shù)值模擬研究[J].礦山測量，2005(4):51-53.