特殊條件對區段煤柱合理尺寸留設的影響分析

王瑞卿

(山西焦煤集團投資有限公司，山西 太原 030021)

賀西礦是汾西礦業集團的一座新建現代化礦井。地面位于山西省柳林縣城東南12 km處，煤田屬山西河東煤田中段井田面積16.16 km2。年產量為240萬t。含煤地層是石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。水文地質條件簡單;瓦斯等級為高瓦斯礦井;地質構造總體上為走向北西、傾向南西的單斜構造，地層傾角3°～5°，褶曲、斷層均不發育，僅發現1條落差為9 m的正斷層，其余為小于2 m的層間斷層;煤層賦存穩定。可采煤層3#、4#層，兩層同時進行開采。兩層煤平均間距11.99 m，3#煤開采方式為走向長壁開采，4#煤開采方式為傾斜長壁開采。綜合機械化采煤法采煤，全部跨落法管理頂板。針對賀西礦的特殊的環境和影響因素，在留設區段煤柱時，必須對這些影響因素進行分析。

1 特殊條件的影響

1.1 老頂巖層在區段煤柱處斷裂位置的影響

上區段采空區老頂巖層在區段煤柱處的斷裂位置分為兩種，即位于區段煤柱煤壁之內的上方和區段煤柱煤壁之外即采空區的上方(見圖1，圖2)。當老頂巖層在區段煤柱煤壁之內的上方斷裂時，巖塊B的回轉將對區段煤柱上側邊緣煤體的受力、變形狀況產生很大的影響。上區段采空區老頂巖層在區段煤柱處的斷裂位置，主要取決于直接頂的厚度、煤、直接頂、老頂的巖石力學性質以及老頂和其上載荷等因素。在多數情況下，斷裂位置發生在煤壁之內上方。

分析賀西礦3#煤層、直接頂、老頂的巖性及其抗拉、抗壓強度，根據以上理論，可以得出結論，該礦上區段采空區老頂巖層在區段煤柱處的斷裂位置發生在煤壁之內的上方。因而，上采空區老頂巖塊B的回轉將對區段煤柱上側邊緣的受力、變形狀況產生很大的影響，使區段煤柱上側塑性變形區寬度增加，破環嚴重(見圖1)。因此，在留設區段煤柱時，要使煤柱寬度加大。

圖1 老頂巖層在區段煤柱處煤壁內斷裂示意圖

1.2 區段煤柱與頂底板形成的力學結構的影響

圖2 老頂巖層在區段煤柱處煤壁外斷裂示意圖

上區段采空區老頂巖層斷裂所形成的小結構對區段煤柱的穩定性有很大影響(見圖3)。穩定的小結構，不僅具有自我支撐功能，而且可以支撐老頂上覆巖層，使區段煤柱免受來自右上方的側壓破壞。巖塊B對小結構的穩定起關鍵作用，巖塊B的穩定性服從滑落穩定條件回轉變形穩定條件。上區段采空區上覆主關鍵巖層極易在區段煤柱右上側形成梁式或拱式的大結構，穩定的大結構可以減小小結構上的載荷，保護小結構的穩定。

圖3 老頂在區段煤柱上側形成的穩定小結構示意圖

分析賀西礦煤層及頂底板巖層柱狀圖，可以看出，3#煤層的上覆巖層不存在較堅硬且具有一定厚度、對巖體活動全部起控制作用的主關鍵層，因而上覆巖層無法形成大結構，不能有效保護小結構的安全和穩定。

由此，可以初步判斷，老頂以上的巖層和老頂同步變形，施加在老頂斷裂形成的小結構上的載荷是相當大的。

小結構關鍵巖塊B保持穩定的兩個條件:

1)S條件:

2)R條件:

取承載層的抗壓強度，巖體的體積力，巖塊間的摩擦因數，巖塊斷裂后回轉角 (因為煤層厚只有1.91 m，而直接頂厚3.5 m，考慮直接頂垮落后的碎漲系數，巖塊回轉角取18°足夠)，承載層厚度，而承載層所負載巖層厚度可以取的很大。由此可見，無論如何，上面兩個條件都難以滿足，小結構關鍵巖塊B無法保持穩定，小結構必失穩。小結構的失穩使巖塊B及其上巖層的部分重量壓在區段煤柱上側頂部，使上側的塑性變形區進一步加寬，破壞更加嚴重(見圖4)。因此，在留設區段煤柱尺寸時，要使煤柱寬度加大。

圖4 老頂在區段煤柱上側形成不穩定小結構示意圖

1.3 軟弱夾層對區段煤柱尺寸留設的影響

當接觸面的摩擦系數和黏結力增大時，可增加煤柱頂底部兩側的約束力，使煤柱塑性區寬度減小，增加煤柱的強度和穩定性;反之，則使塑性區寬度增加，減小強度和穩定性。另外，煤柱與頂底板間界面無軟夾層時，即摩擦和黏結力較大時，煤柱上、下兩端呈水平壓縮，實際上增加了煤柱圍壓，減小了塑性變形區寬度，增加了煤柱的強度和穩定性;而煤柱與頂底板間界面有軟夾層時，即摩擦和黏結力較小時，煤柱上下兩端部出現附加水平拉應力，減小了圍壓，增加了塑性變形區寬度，消弱了煤柱的強度。

分析賀西礦煤層及頂底板巖層柱狀圖，發現3#煤層頂部是1層厚度為0.2 m左右的頁巖層，其松軟、易冒落。區段煤柱與頂板巖層間的這一軟弱夾層的存在，減小了區段煤柱與頂板巖層間的摩擦力和黏結力，實際上減小了煤柱上部的圍壓，在支承壓力作用下使煤柱上部出現了附加水平拉應力，使區段煤柱上部塑性變形區寬度加寬，破壞嚴重，削弱了區段煤柱的強度和穩定性。因此，在留設區段煤柱尺寸時，應加大煤柱寬度。

1.4 地應力對區段煤柱尺寸留設的影響

通過對地應力及構造應力的分析可知，一個地區的地應力和構造應力嚴重影響煤柱受力狀況，在煤柱受力分析時不可或缺。一般來說，當煤柱的長度方向和最大水平主應力方向一致、寬度方向和最小水平主應力方向一致時，可有效改善煤柱的受力狀態，使煤柱塑性變形區寬度減小、破壞減小，提高煤柱的穩定性。

在賀西礦采用水壓致裂法進行原巖應力測試，結果表明，最大水平主應力為8.13 MPa，與順槽巷道前進方向夾角 36.3°，最小水平主應力為 4.54 MPa，鉛直主應力為7.58 MPa，最大主應力為最大水平主應力。由于區段煤柱的長度方向和最大水平主應力方向夾角為36.3°，夾角較大，且最大水平主應力為最大主應力，數值明顯很大，故區段煤柱在這種特殊的地應力作用下，塑性變形區寬度會增加，兩側破壞加大，使區段煤柱的穩定性和強度減小。因此，在留設區段煤柱尺寸時，要使煤柱寬度加大。

1.5 煤體節理、裂隙等弱面對煤柱尺寸留設的影響

分析節理、裂隙、斷層等弱面對區段煤柱強度的影響，認為這些弱面是影響控制煤柱強度的主要因素，弱面存在使煤柱沿弱面發生壓剪破壞，使煤柱強度顯著降低，并在理論上得出了含弱面煤柱強度計算公式。

賀西礦3#煤層內生裂隙較發育，性脆，煤的抗拉強度、抗壓強度、黏聚力、內摩擦角均較低。這些特點使煤柱強度降低，抗破壞能力減弱，在采掘動態影響和重復加載－卸載作用下，區段煤柱兩側塑性變形區寬度增加，破壞深度加大，穩定性降低。因此，在留設區段煤柱尺寸時，要使煤柱寬度加大。

1.6 特殊條件對區段煤柱尺寸留設的影響

在賀西礦，上采空區老頂巖層在區段煤柱處的斷裂位置發生在煤壁之內的上方，區段煤柱與頂板上覆巖層不能形成穩定的大、小結構，煤柱與頂底板界面間存在軟弱夾層，水平地應力較大且其方向不利煤柱穩定，煤體節理、裂隙等弱面較發育及煤的物理力學性能指標較低。這些因素的存在均減弱了煤柱的承載能力，不利于煤柱的穩定，在采、掘動態因素和重復加載－卸載作用下，使區段煤柱呈現出兩側塑性區寬度較寬，破壞深度較大等特點。在生產現場，表現為順槽巷道煤柱側炸幫嚴重;破壞深度較深，煤柱破損嚴重，不能起到有效的護巷作用;由于順槽巷道兩側煤體深度破環，使順槽巷實際寬度不斷加大，大大超過設計寬度，從而使順槽巷頂板嚴重下沉，甚至斷裂和垮落，嚴重影響巷道正常使用。

2 工程實例分析

賀西礦3#煤層在回采過程中，順槽巷道兩側煤體一直破壞嚴重，頂板下沉量大，護巷效果極差。尤其是區段煤柱的兩側塑性變形區寬度很大，破壞深度較深。一段時期，人們認為加大區段煤柱寬度，提高區段煤柱強度，可以解決上述問題。于是，區段煤柱寬度加大到現在采用的30 m，但護巷效果幾乎沒有改善。究其原因是沒有認清問題的實質。本文認為:

1)加大煤柱寬度提高煤柱強度是可行的，但有一個范圍，現場和試驗均證明:煤柱寬高比大于8時，煤柱強度不再隨寬高比的增加而增加。

2)賀西礦3#煤層區段煤柱兩側塑性變形區寬度大、破壞深度較深、護巷效果差、頂板下沉量大、順槽巷道難以維護等問題的出現，是該礦上述幾方面固有的特殊條件在區段煤柱上的綜合反映，不是由于區段煤柱寬度小造成的，因而不是加大區段煤柱寬度就可以解決的。

3)在賀西礦特殊條件下，不同寬度的區段煤柱兩側塑性變形區的寬度是相同的，因而可認為不同寬度的區段煤柱兩側的破壞深度亦相同。增加區段煤柱寬度，只會增加其彈性核區的寬度，并不會減小其兩側的塑性變形區寬度，因而其破壞深度也不會減小，煤柱護巷效果差的問題也不會解決。

4)解決賀西礦區段煤柱破壞嚴重、護巷效果差的問題，應該從“煤柱布置方向要和地應力狀況相符”的角度和改變支護方式的角度去考慮。

5)賀西礦3#煤層現在采用的30 m寬的區段煤柱可以減小，適當減小寬度后的區段煤柱強度不會改變，穩定性不會變差，護巷效果不會惡化。

3 結論

綜合以上分析，要解決賀西礦特殊條件對區段煤柱形成的負面效應，在研究區段煤柱合理尺寸時，留設寬度太小的煤柱顯然是不可行的，區段煤柱寬度必須向加大的方向考慮，但加大必須有一個限度。這就要通過前面的理論計算和影響因素，綜合進行優化分析確定。按照文中提出區段煤柱必須同時滿足的三個方面的作用，即支撐作用、護巷作用和隔離作用。要滿足支撐作用，就必須使煤柱有一定的支撐能力，并滿足區段煤柱保持穩定的強度條件;要滿足隔離作用，就必須使煤柱中部有一定寬度的臨界彈性核，并滿足區段煤柱保持穩定的寬度條件;要滿足護巷作用，就要選擇合適的支護方式(例如錨索護幫、噴漿封閉等)，使煤柱兩側的塑性變形區和破壞區降到最小。

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