基于松動(dòng)圈測(cè)試區(qū)段煤柱合理留設(shè)尺寸的探究

曉亞迪， 段文婷 ， 李 源

（1.太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

1 礦井及工作面概況

山西某礦第八盤(pán)區(qū)主采二疊紀(jì)8號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，平均夾矸5層，夾矸厚度最大0.5 m，平均煤厚為4.7 m，平均傾角為3°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

圖2 工作面布置圖

8109工作面和8110工作面埋深115～204 m，8109工作面西鄰8110未采工作面，東臨8108已采工作面，北部為井田保護(hù)煤柱，南部為一盤(pán)區(qū)盤(pán)區(qū)大巷，工作面布置圖如圖2所示。模擬的煤柱尺寸為8109回風(fēng)順槽與8110運(yùn)輸順槽之間的區(qū)段煤柱，8109與8110綜采工作面均為準(zhǔn)備工作面，尚未進(jìn)行回采。8109工作面在進(jìn)行回采時(shí)，8110運(yùn)輸順槽將作為8109工作面的輔助運(yùn)輸順槽，8109回風(fēng)順槽與8110運(yùn)輸順槽均為矩形斷面順槽，巷道跨度為4.8 m，高度為 3.8 m[1]。

2 煤柱垂直應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性

2.1 一側(cè)采空時(shí)，煤體（柱）的彈塑性變形去及垂直應(yīng)力分布

當(dāng)區(qū)段煤柱一側(cè)為采空區(qū)時(shí)，即煤體（柱）臨近采空區(qū)的一側(cè)處于彈性變形階段，煤柱中彈塑性變形區(qū)與煤柱受到的垂直應(yīng)力分布如圖3所示。由圖可知，煤體（柱）受到的垂直應(yīng)力與臨近采空區(qū)的距離s有關(guān)系，隨著s的逐漸增大（遠(yuǎn)離采空區(qū)邊緣），垂直應(yīng)力呈近線性增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定范圍后，呈負(fù)指數(shù)關(guān)系遞減到原巖應(yīng)力值。在回采工作面的采動(dòng)作用下，從煤體（柱）的邊緣到煤體（柱）的深部，都會(huì)出現(xiàn)破裂區(qū)（臨近采空區(qū)一側(cè)受到的垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力）、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

圖3 煤柱(體)的彈塑性變形區(qū)及垂直應(yīng)力分布

當(dāng)煤柱（體）深部與靠近采空區(qū)邊緣一側(cè)的距離逐漸增大時(shí)，煤柱（體）的承載能力也會(huì)逐漸提高。在煤體（柱）靠近采空區(qū)的一定范圍內(nèi)，煤體（柱）的承載能力與支承壓力會(huì)處于極限平衡狀態(tài)。此時(shí)，運(yùn)用極限平衡理論可求得煤體（柱）的塑性區(qū)寬度范圍s：

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)；p1為支架對(duì)煤幫的阻力；m為煤層開(kāi)采厚度；C為煤巖體的內(nèi)聚力；φ為煤巖體的內(nèi)摩擦角；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)。

根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)采，x0的范圍為3～20 m，一般為5～12 m。應(yīng)力降低區(qū)的寬度范圍為2～7 m，一般為3～5 m。

2.2 雙側(cè)采空時(shí)，煤柱的彈塑性變形去及垂直應(yīng)力分布

工作面回采過(guò)程會(huì)引起支承壓力的重新分布，其應(yīng)力分布狀態(tài)的變化范圍L與煤柱留設(shè)的寬度B有關(guān)，且主要分為以下三種：

1）當(dāng)B＞2L時(shí)，煤柱在中部會(huì)受到均布載荷的作用，均布載荷大小為初始應(yīng)力γH。在煤柱邊緣靠近采空區(qū)的位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，稱之為高應(yīng)力區(qū)。從煤柱靠近才空區(qū)的一側(cè)到煤柱中部核區(qū)依次為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)[2]。

2）當(dāng)L＞B＞2L時(shí)，煤柱中部位置恰好為支承壓力相疊加的位置，故其應(yīng)力值會(huì)大于原巖應(yīng)力值γH，煤柱受到的垂直應(yīng)力整體呈現(xiàn)“馬鞍形”分布的特點(diǎn)。

3）當(dāng)L＞B時(shí)，靠近采空區(qū)的煤柱兩側(cè)邊緣會(huì)使得支承壓力相互疊加，使得支承壓力峰值在煤柱中部相互疊加，故煤柱中部承受的載荷明顯大于上述兩種情況。因此煤柱在受到兩側(cè)回采工作面采動(dòng)作用的影響時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)K會(huì)突增到4～5，并且煤柱中部由于受到長(zhǎng)時(shí)間的高應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)破壞的現(xiàn)象。

3 煤柱尺寸研究及其松動(dòng)圈測(cè)試

3.1 煤柱合理尺寸的研究

基于巖體極限平衡理論，運(yùn)用下式確定煤柱塑性區(qū)的寬度：

式中：m為煤層采高，m，由于礦井實(shí)際的開(kāi)采高度與回采巷道的凈高度不同，綜合考慮煤層開(kāi)采作用的影響，故取m為開(kāi)采高度與巷道凈高度和的1/2。f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，f=0.25tanφ；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，°；K為應(yīng)力集中系數(shù)，當(dāng)煤體（柱）一側(cè)受到采動(dòng)作用時(shí)，K為2.5，當(dāng)煤柱兩側(cè)都受到采動(dòng)作用采動(dòng)時(shí)，K為4；C為煤巖體的內(nèi)聚力，一般取值為0.45～0.75 MPa；p1為支架對(duì)煤幫的阻力，取為 0[3]。

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)情況，已知煤層開(kāi)采深度H=300 m，上覆巖層容重 γ=25 000 N/m2，煤柱由于受到兩側(cè)采動(dòng)作用的影響，故K取4，結(jié)合礦井煤層開(kāi)采作用的影響，取m=3.8 m；根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)側(cè)的煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為C=1 500 kN/m2和φ=30°，故計(jì)算可得8110運(yùn)輸順槽與8109回風(fēng)順槽之間的煤柱寬度B為20 m。

3.2 松動(dòng)圈測(cè)試

1）測(cè)試儀器：ZBL-U510型非金屬超聲檢測(cè)儀。

2）測(cè)試方法：針對(duì)8110運(yùn)輸順槽與8109回風(fēng)順槽圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用單孔測(cè)試法。測(cè)孔鉆成后及時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)測(cè)孔變形或坍塌現(xiàn)象，測(cè)試前用壓力水沖洗每個(gè)測(cè)孔，把測(cè)孔中的煤巖粉沖洗干凈；耦合方式采用水耦合。聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀連接探頭通電預(yù)熱后，用推桿將探頭送入孔底，然后拉動(dòng)推桿將探頭向外每移動(dòng)10 cm讀一次聲時(shí)，直到孔口為止。

3）測(cè)試結(jié)果如表2說(shuō)示。

表2 松動(dòng)圈結(jié)果

松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果如表2所示，由此可知：第一，隨著工作面的不斷推進(jìn)，回采巷道的巷道圍巖松動(dòng)圈范圍顯著增大，在工作面超前35 m到15 m的回采范圍內(nèi)，負(fù)幫松動(dòng)圈由1.2 m增大到2 m，正幫松動(dòng)圈由1.4 m增加到2.6 m；第一，負(fù)幫松動(dòng)圈范圍普遍小于正幫松動(dòng)圈范圍。因此，根據(jù)穩(wěn)定護(hù)巷煤柱寬度留設(shè)的條件，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的松動(dòng)圈范圍，負(fù)幫取1.2m，正幫取2.6m，煤層厚度為3.8m，則煤柱合理寬度為10m[4]。

4 結(jié)論

1）根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果分析，在受到采動(dòng)影響作用后，巷道測(cè)得的松動(dòng)圈最大值是2.6 m，煤柱的合理寬度是10 m。

2）經(jīng)理論計(jì)算表明，煤柱寬度為20 m。

綜合以上研究結(jié)果，8109回風(fēng)順槽與8110運(yùn)輸順槽之間煤柱的合理寬度為20 m。