論深井巷道保護煤柱留設寬度計算方法

高長富

（龍煤集團龍煤集團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

留設保護煤柱是保護巷道，使其不受開采動壓影響，保持巷道良好穩定狀態，滿足安全生產的一個重要方法。

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

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

因此，合理確定煤柱寬度，留設煤柱是保證井下巷道良好穩定狀態的一個重要保證。

2 煤柱的用途及設計方法

煤柱是用于支護巷道，保持巷道穩定的，所以應設計成經歷整個開采過程，即巷道掘進和工作面回采時承受荷載不被破壞。

2.1 煤柱的荷載煤柱受荷載過程分兩個階段

一是巷道開鑿后立即產生的荷載。二是回采過程中產生的支撐壓力。

2.1.1 開采前的荷載

巷道開掘后即在巷道周邊煤巖柱上產生一荷載，開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-煤柱長度m

h-覆巖層厚度m

r-巖層容重t/m3

2.1.2 回采過程中產生的荷載

長壁后退工作面回采時在工作面周圍和護巷煤柱上，將產生支撐壓力，其值等于P2=Krh（K-應力系數），支承壓力沿煤柱（體）壁面附近最高，深入到煤柱中心則減小，其分布規律見圖1。

最大峰值 Pzmax-（2-5）hr

煤柱的荷載即是開采前荷載與開采過程的最大支承壓力之和。

根據井下實際觀測和研究結果表明其平面波及范圍達60m-150m。

由于回采過程中產生的荷載遠大于開采前的荷載，所以說，支撐壓力對煤柱的破壞及布置在煤柱區域內的巷道破壞起主要作用。

要想保持煤柱內巷道圍巖不受破壞，必須保持護巷煤柱的穩定，煤柱的強度要大于煤柱的荷載。

2.2 煤柱寬度的選擇依據

由于煤柱的強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度，保持巷道圍巖穩定的關鍵。

目前采用的護巷煤柱有窄煤柱和寬煤柱兩種形式。

根據國內外有關井下實測資料及研究結果表明:（1）窄煤柱巷道位于回采引起的支撐壓力峰值區附近，不僅在采動期間圍巖變形十分強烈，而且在采動趨向穩定，支撐壓力衰減期間圍巖變形仍很大，巷道維護十分困難。（2）寬煤柱巷道在回采強影響期間變形比較緩和，且隨采動影響的減弱，支撐壓力下降，巷道圍巖變形就趨向穩定，巷道維護較容易。

2.3 寬煤柱護巷煤柱寬度的確定方法

寬煤柱護巷在我國的實踐研究較小，沒有可供使用的煤柱寬度計算方式，煤柱寬度的確定，一般借鑒美國和英國的經驗公式計算并與我們實地現場實踐相結合。

美國阿什列（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

英國煤礦工作者經驗公式

3 保護煤柱設計存在的問題及改進

東海煤礦是一個有50多年開采歷史的老礦，井深、巷遠、地壓大。現開采深度平均900m以上，最大開采深度達1100m，屬典型深井開采。巷道支護極困難，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，而留設的保護煤柱寬度較小，一般在40-60m。受采動壓力影響較大，巷道支護雖采用了國內外先進的高強度、高預應力錨帶網+錨索+噴砼等組合支護方式，但巷道受采動壓力影響破壞嚴重，冒頂片幫底鼓嚴重。巷道需經多次維修支護，維修量大，費用高每米維修費用平均達1500-2000元，每年支出費用高達400多萬元，且影響生產、威脅安全，嚴重影響企業健康發展。所以確定合理的煤柱寬度是確保巷道穩減少費用降低成本保證安全生產的一個重要途徑。

我礦現采用的煤巷設計方法及計算公式：

我礦井下巷道（采區上、下山、主運巷、石門）留設保護煤柱采用依據和計算方法是我國煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》之第81條-90條有關規定。

式中：S-煤柱總寬度；m

S1-巷道保護煤柱的水平寬度；m

a-受護斜巷，巷道寬度的一半；m

H-巷道的最大重深；m

M-煤厚；m

Rc-煤的單向抗壓強度，Mpa存在的問題

采用巖層移動設計和公式（6）

計算的保護煤柱寬度值較小

隨著采深的加大，支撐壓力加大，顯現劇烈，波及范圍廣，平面傳播距離達120m以上，（向下傳播距離達60m以上）。例如：五采區32#層四段絞車道在標高-640m-690m段（采深860m-910m），距實際煤柱線達80m，其采動壓力顯現劇烈，巷道圍巖變形量大，破壞嚴重，出現冒落，片幫底鼓，巷道變形量達40%以上，而煤柱寬度為60-70m的風道，皮帶道和布置在底板巖層中的聯絡石門車場，（距煤層14-40m，煤柱線60m）其破壞程度更為嚴重，且巷道多處壓垮，最大變形量達70%以上，平均變形量50%巷道修復工程量多，難度大，投資高，無法保證安全生產。在五采區35#層巷道和六采區32#層的巷道等也出現了同樣狀況，嚴重制約安全生產。

建議改進計算方法，確定合理煤柱寬度：通過現場實際狀況反映出我礦現采用的煤柱設計計算方法，不符合現場實際狀況需要，留設的煤柱寬度不夠，沒有使巷道布置在應力變形的平穩區內，致使巷道承受了K值加大的支承壓力，變形量大，無法保持良好的狀態。為此，應采用符合現場實際條件的保護煤柱計算方法和公式，確定合理的煤柱寬度。

建議采用公式（2）（3）（4）之一公式計算保護煤柱寬度。

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

使用公式（3）

以上計算方法計算結果所得的煤柱寬度和現場實踐保證巷道穩定所需煤柱寬度相吻合，且由于寬煤柱在采區報廢時可以有計劃的進行回收，故對資源回收率不造成影響。所以采用以上方法計算保護煤柱的寬度，以確定合理可靠的煤柱寬度，達到有效支護巷道，保持巷道穩定的要求。

[1]吳長春.淺析煤礦開采系統中的機械化[J].黑龍江科技信息，2008-04-25.

[2]康志紅.淺談煤礦開采沉陷區的綜合治理措施[J].中國管理信息化，2011-09-01.