護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#煤層是優質主焦煤，屬低硫低灰的優質資源，由于其賦存穩定，頂底板條件較好，生產能力大，其洗精煤受到國內外用戶的青睞，具有廣泛的市場。然而在生產過程中，煤柱的留設長期以來一直是憑經驗確定，沒有一個較為合理的確定方案，致使留設過小，巷道維護困難，給安全生產帶來不利影響；留設過大，資源丟失量大，采區回收率難以提高，嚴重影響礦井的生產效率和經濟效益。煤炭資源的不可再生性、稀缺性和短期內的不可替代性，決定了在煤炭生產過程中，煤炭開采的可持續發展的重要性，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4800km～5200km的回采巷道，開掘量大，地質條件復雜多變，對回采巷道護巷煤柱的研究，具有重要的現實意義。

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

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性質，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，采用綜合機械化采煤的回采工作面，其巷道布置形式一般采用兩進一回或一進兩回的通風方式，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合理的煤柱，一直困擾著生產的發展，嚴重威脅著礦井的正常生產，制約著機械化采煤工作面高產高效生產能力的正常發揮。而且還會造成回采巷道反復多次維修，翻修，不僅增加生產成本，甚至有些巷道不能再次利用，使礦井采掘比例嚴重失調，最終導致整個礦井不能正常生產。

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的護巷方法，近年來，我國的煤層巷道中，回采巷道、準備巷道和開拓巷道大都仍沿用煤柱護巷。

煤柱的穩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性質。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定性和巷道維護的影響主要表現在：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定性和巷道的圍巖變形。

煤柱是作為保護礦井巷道，控制巖層移動和礦井隔離的常規方法，煤柱穩定性是指在一定的時間內、在一定的地質力和工程力的作用下，煤柱由于應力重新分布而僅出現變形，但并不產生破壞性的垮落和滑動。因此，就煤礦生產和安全而言，煤柱的合理留設問題至關重要，煤柱尺寸留設過大，造成資源浪費，若留得過小，造成巷道多次破壞，多次維修，不僅使巷道維護費用增加，而且常常影響生產，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、安全以及礦井經濟效益緊密相關。

2 國內外研究現狀

國內外確定護巷煤柱寬度的方法，主要有理論計算、經驗估算及實測分析三種。各種理論計算的基本觀點都認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度，使煤柱處于穩定狀態。但缺乏對煤柱的穩定性與巷道維護之間的關系及其影響因素的闡述，國內外估算護巷煤柱寬度的經驗公式，都以煤柱寬度為開采深度的主函數，對影響煤柱及巷道穩定性的其他重要因素都沒有涉及。實測分析法通過井下實測得到各類巷道在不同的開采深度、圍巖性質、采支狀況及服務年限等條件下，巷道的圍巖變形量（μ）與護巷煤柱寬度（Β）之間的關系。μ—Β關系式和曲線較全面地概括了影響巷道穩定性的基本因素，能直接反映不同煤柱寬度時巷道的維護效果，是目前選擇煤柱寬度比較實用的方法[1]。

煤柱護巷的問題在我國應用較早，國內對此做了大量的研究工作，所取得的結論基本上是一致的，內容如下[2]：

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

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

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

國內外護巷煤柱寬度的理論計算方法有按煤柱的允許應力，煤柱能承受的極限載荷，以及按煤柱應力分布計算等多種。各種理論計算的基本觀點都認為煤柱的載荷來自上覆巖層及采空區懸露巖層轉移到煤柱上的重量，煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷不超過它的極限強度，使煤柱處于穩定狀態[3]。

1）英國威特克（Wittaker）認為煤柱平均應力σ反映了煤柱的受力狀態，凡作用于煤柱的平均應力達到煤柱的極限強度R時，煤柱就處于極限平衡狀態，如公式1-1所示，此時求得的煤柱尺寸，應是煤柱的極限寬度。

煤柱的強度及其穩定性與煤柱的形狀和尺寸有密切關系，威特克應用了沙拉蒙和穆尼奧的研究結果得出了如下公式：

其中式中：

P—煤柱上總載荷，kN；

δ—采空區上覆巖層垮落角，0；

γ—上覆巖層平均容重，KN/m3

R—寬度為B、高度為h的巖柱強度，Mpa；

Rc—邊長1英尺的立方體巖柱的單軸抗壓強度，Mpa；

B—煤柱寬度，m；

h—煤柱高度，m；

威特克認為煤柱上的應力是由煤柱上覆巖層重量及煤柱兩側采空區轉移到煤柱上的部分懸垂巖層重量引起，此時煤柱寬度的計算公式為：

設某礦的 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，取安全系數為1.5，則得煤柱寬度為127.5m，顯然用此方法計算所得的煤柱寬度過大，與現場實踐不符。同時這種理論計算法缺乏對煤柱穩定性與巷道維護之間的關系及其影響因素的研究，難以廣泛應用于各種地質和開采條件。

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

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)在美國一些地區獲得應用的經驗公式為：

式中

M—煤柱高度，ft。

該式折合成SI單位為：

4）英國的Wilson根據現場調查和現場煤柱觀測總結而提出了煤柱寬度的設計公式，把煤柱在寬度方向分成兩個區，即中心承受三向應力，表現為彈性的煤柱核區和雖然出現了裂隙，但限制核區側向移動的屈服區。

實踐和理論都已表明，煤柱強度不僅與煤柱試塊的單軸強度、煤柱長度、寬度和高度等有關，并且還與煤柱弱面、頂底板巖性和煤柱側應力等圍巖體系因素有密切關系。

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

Wilson條帶煤柱寬度設計方程為：

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，取0.5。

3 研究內容

目前，我國煤礦生產中大都采用經驗法確定煤柱的寬度，對生產缺乏指導意義，而煤柱的留設寬度與煤柱的強度、弱面情況、頂板巖性、采深、采高等諸因素有關，必須進行實地礦壓觀測及合理的理論才能確定。

實測分析方法則是通過實測得到各類巷道在不同地質開采條件下的圍巖變形量及其與護巷煤柱寬度的關系，并以巷道的穩定性（圍巖變形量，斷面收縮率）作為衡量護巷煤柱寬度合理性的主要指標。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定期間的圍巖流變所組成。護巷煤柱寬度較小、服務期限較短的區段巷道，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的關系。對于服務期較長、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，所以一般應以總變形量作為衡量煤柱寬度合理性的指標。

3.1 研究的主要內容

1）研究巷道維護影響因素；

2）研究礦壓顯現特點（規律）；

3）依據西曲礦2#煤層的具體地質情況，運用相似模擬試驗的手段，對西曲礦2#煤層煤柱寬度進行相似模擬；

4）針對影響因素，依據礦壓顯現規律確定合理的護巷煤柱尺寸范圍。

3.2 技術路線

本課題采用現場觀測、理論分析和相似模擬相結合的研究方法，首先研究回采工作面巷道礦壓顯現規律，進而對煤柱應力分布適應性進行分析，以尋求最佳支護方式，得到合理的回采煤柱留設尺寸。

4 研究的意義

回采巷道是回采工作面的咽喉，其支護、維護的狀況直接影響回采工作面的生產效率和安全情況，在回采開采時，護巷煤柱的大小對煤炭損失的影響較大。據統計，采區煤柱的損失量占到采區煤炭損失的36.7%，因此，合理留設煤柱并采取合理的支護方式，對提高煤炭回收率，保證工作面的高產高效，具有重要的現實意義。