基于松動圈測試區(qū)段煤柱合理留設尺寸的探究

曉亞迪， 段文婷 ， 李 源

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

1 礦井及工作面概況

山西某礦第八盤區(qū)主采二疊紀8號煤層，煤層結構較為復雜，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，北部為井田保護煤柱，南部為一盤區(qū)盤區(qū)大巷，工作面布置圖如圖2所示。模擬的煤柱尺寸為8109回風順槽與8110運輸順槽之間的區(qū)段煤柱，8109與8110綜采工作面均為準備工作面，尚未進行回采。8109工作面在進行回采時，8110運輸順槽將作為8109工作面的輔助運輸順槽，8109回風順槽與8110運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 煤柱垂直應力分布及其穩(wěn)定性

2.1 一側采空時，煤體（柱）的彈塑性變形去及垂直應力分布

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

圖3 煤柱(體)的彈塑性變形區(qū)及垂直應力分布

當煤柱（體）深部與靠近采空區(qū)邊緣一側的距離逐漸增大時，煤柱（體）的承載能力也會逐漸提高。在煤體（柱）靠近采空區(qū)的一定范圍內，煤體（柱）的承載能力與支承壓力會處于極限平衡狀態(tài)。此時，運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為應力集中系數(shù)；p1為支架對煤幫的阻力；m為煤層開采厚度；C為煤巖體的內聚力；φ為煤巖體的內摩擦角；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)。

根據(jù)煤礦現(xiàn)場實際開采，x0的范圍為3～20 m，一般為5～12 m。應力降低區(qū)的寬度范圍為2～7 m，一般為3～5 m。

2.2 雙側采空時，煤柱的彈塑性變形去及垂直應力分布

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

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

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

3）當L＞B時，靠近采空區(qū)的煤柱兩側邊緣會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回采工作面采動作用的影響時，應力集中系數(shù)K會突增到4～5，并且煤柱中部由于受到長時間的高應力狀態(tài)會發(fā)生塑性流動破壞的現(xiàn)象。

3 煤柱尺寸研究及其松動圈測試

3.1 煤柱合理尺寸的研究

基于巖體極限平衡理論，運用下式確定煤柱塑性區(qū)的寬度：

式中：m為煤層采高，m，由于礦井實際的開采高度與回采巷道的凈高度不同，綜合考慮煤層開采作用的影響，故取m為開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為煤體的內摩擦角，°；K為應力集中系數(shù)，當煤體（柱）一側受到采動作用時，K為2.5，當煤柱兩側都受到采動作用采動時，K為4；C為煤巖體的內聚力，一般取值為0.45～0.75 MPa；p1為支架對煤幫的阻力，取為 0[3]。

根據(jù)礦井實際地質情況，已知煤層開采深度H=300 m，上覆巖層容重 γ=25 000 N/m2，煤柱由于受到兩側采動作用的影響，故K取4，結合礦井煤層開采作用的影響，取m=3.8 m；根據(jù)實驗室實驗側的煤體的內聚力和內摩擦角分別為C=1 500 kN/m2和φ=30°，故計算可得8110運輸順槽與8109回風順槽之間的煤柱寬度B為20 m。

3.2 松動圈測試

1）測試儀器：ZBL-U510型非金屬超聲檢測儀。

2）測試方法：針對8110運輸順槽與8109回風順槽圍巖松動圈測試采用單孔測試法。測孔鉆成后及時進行了測試，沒有出現(xiàn)測孔變形或坍塌現(xiàn)象，測試前用壓力水沖洗每個測孔，把測孔中的煤巖粉沖洗干凈；耦合方式采用水耦合。聲波無損檢測分析儀連接探頭通電預熱后，用推桿將探頭送入孔底，然后拉動推桿將探頭向外每移動10 cm讀一次聲時，直到孔口為止。

3）測試結果如表2說示。

表2 松動圈結果

松動圈測試結果如表2所示，由此可知：第一，隨著工作面的不斷推進，回采巷道的巷道圍巖松動圈范圍顯著增大，在工作面超前35 m到15 m的回采范圍內，負幫松動圈由1.2 m增大到2 m，正幫松動圈由1.4 m增加到2.6 m；第一，負幫松動圈范圍普遍小于正幫松動圈范圍。因此，根據(jù)穩(wěn)定護巷煤柱寬度留設的條件，按照現(xiàn)場實測的松動圈范圍，負幫取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 結論

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

2）經理論計算表明，煤柱寬度為20 m。

綜合以上研究結果，8109回風順槽與8110運輸順槽之間煤柱的合理寬度為20 m。