王莊煤礦條帶充填開采煤柱寬度設計的分析研究

朱鈺

（晉能集團生產技術部，山西太原030000）

1 引言

條帶開采是常用的特殊開采方法之一，主要是將煤體規則劃分，采留相間，達到控制地表發生不利變形的目的[1]。條帶開采依據布置形式與開采工藝上進行分類包括：水砂充填條帶、分層冒落條帶和不規則條帶等。盡管該開采方法的煤炭資源采出率低、資源浪費嚴重。但仍然是我國為了避免村莊搬遷的情況下回收村莊下部的煤炭資源而主要采取的減少地表沉降的采煤方法。因此在面臨此類開采需求的情況下，條帶開采在各大礦區均有一定的應用。

2 工程概述

王莊煤業304 采區北部有一大塊段實體煤，采區上方受沙掌村、平家村保護煤柱的影響，無法布置長壁工作面開采，而又想充分回收這一塊煤炭資源，并把條帶開采后的巷道充填矸石加以利用，因此在304 采區布置了條帶開采工作面，該采區地表標高1 080 m～1 120 m，煤層底板標高950 m～990 m，平均埋深120 m，煤層平均厚度5 m，煤層為近水平煤層，煤層直接頂厚4.76 m，為泥巖、砂石泥巖，基本頂厚5.3 m，為中細粒砂巖，直接底厚2.63 m，為泥巖，基本底厚2.2 m，為砂質泥巖，條帶開采采用連采機，開采條帶寬6.5 m，沿煤層頂底板掘進，采高5 m。

3 壓力拱計算最大開采條帶寬度

經典壓力拱理論認為，井工開采過程中開采范圍上方會自然促使壓力拱結構的形成，上方壓力拱承載結構形成后拱上方巖層傳遞的載荷中很少一部分載荷分量會施加在回采工作面直接頂板上，其余部分的上方巖層載荷會通過壓力拱結構內下方回采工作面兩側實體煤拱腳間進行轉移，壓力承載拱的內跨度LPA主要受回采工作面上覆巖層結構的厚度(井工開采回采工作面埋深H)的影響，壓力承載拱的外跨度LPB則受上覆巖層內部組合結構的影響，如圖1所示。壓力拱的內跨度LPA如公式（1）所示：

如果回采工作面寬度大于壓力拱的內跨度LPA，則工作面煤層的載荷受力分布會變得比較復雜，其中壓力拱中的一個拱腳位置在待回采的實體煤上，另一個拱腳位置處于在采空區的垮落體上，此時壓力拱穩定性較差，極容易受到垮落矸石的變形而導致壓力拱的失穩，導致上覆承載結構的破壞，發生大范圍的冒落。依據現有的國內外條帶開采工藝的實際生產經驗，如果使用條帶開采技術來達到控制地表沉陷的目的，則兩開采條帶煤柱之間的工作面長度應小于0.75LPA。根據王莊煤業304 采區巷道埋深未120 m，計算出最大開采條帶寬度不大于27.2 m。

圖1 壓力拱示意

4 煤柱極限寬度的確定

條帶開采后受到圍巖應力重新分布的影響而形成應力的集中，條帶煤柱的邊緣一定范圍內承載上覆巖層載荷的能力降低，這個承載能力降低的范圍稱之為條帶煤柱的塑性區，塑性區向煤柱中心稱之為條帶煤柱的彈性核區[2]，如圖2所示。

圖2 煤柱受力劃區分布

條帶開采所留設煤柱的彈性核區內范圍的煤體處于三向外部受力的狀態，由庫倫-摩爾準則(M-C準則)可從理論上計算得到留設的條帶煤柱的極限強度：

式中：c-條帶開采留設的條帶煤柱的內部粘結力（MPa），基于巖石力學實驗取取值為0.7MPa；

φ-條帶開采留設的條帶煤柱的內摩擦角（°），取值32°。

如圖2所示：在塑性區范圍內可認為c=0，在彈性區和塑性區交界點，側向應力σ3為

式中：k-側向壓力系數，與煤體泊松比有直接關系，且隨著垂直應力的增大而增大，王莊煤業3號煤泊松比取值0.32，王莊煤礦研究區域側壓系數取值為0.47，回采工作面距地表的垂直深度取值120 m，回采工作面上覆巖層的平均容重為25 kN/m3。

按照經典的巖體(煤體)極限強度原理，當條留設的帶煤柱所承受的上覆巖層傳遞的外部載荷超過煤柱內部煤體的極限強度時，煤柱就會發生塑性繼而發生變形破壞。當條帶煤柱所承受的上覆巖層傳遞的外部載荷小于煤柱內煤體的極限強度時，煤柱處于相對的穩定狀態。在確定留設的條帶煤柱所能夠承受的外部載荷的極限值時可以借助有效支撐區域理論。有效支撐區域理論認為各條帶煤柱所承受的載荷分兩部分，其一為煤柱上覆巖層的載荷，剩下的為其相鄰煤柱共同承擔的采空區空間上部巖層所傳遞的外部載荷[3]。因此留設的條帶煤柱的實際有效的工作載荷是在煤柱有效支撐范圍內的恒定載荷。通常條帶開采中采出煤體的條帶寬度較小，已回采空間內一般只有直接頂失穩產生的垮落體，直接頂上方的基本頂處于穩定狀態未發生垮落。回采工作面已采空間冒落的矸石量較小而不能接頂，因此該區域內垮落的矸石不能承受上方傳遞的外部載荷。可認為采出煤體寬度范圍內上方巖層的重量發生了應力轉移，均轉移到工作面兩側的條帶煤柱上。設采出煤體的條帶寬度為b(b=6.5 m)，回采工作面兩側條帶煤柱的設計寬度為a，因此留設的條帶煤柱上方巖層傳遞的載荷Pc為：

式中：γ-覆巖的平均容重，N/m3，

H-平均開采深度，m。當條帶煤柱所承載的外部載荷不大于煤柱內煤體的強度，煤柱會保持穩定或者極限穩定。基于此，條帶煤柱留設的極限寬度為：

式中：

按照巖體(煤體)極限強度理論計算回采工作面兩側煤柱的設計寬度：根據計算當采深為120 m，設計開采的條帶寬度為6.5 m，保證煤柱不坍塌的最小保護煤柱寬度為4.37 m。

5 煤柱尺寸模擬分析

使用美國Itasca 公司開發的有限元分析軟件FLAC3D有限元分析軟件，基于王莊煤業已有生產經驗和目前的生產狀況，設計條帶的寬度為6.5 m，在此基礎上借助FLAC3D有限元分析軟件分別模擬開采條帶寬度為6.5 m，高為5.0 m 時，留設的煤柱寬度分別為20 m、15 m、10 m、8 m、5 m時的煤柱中出現的塑性變形情況[4]，模擬結果如圖3所示。

圖3 不同尺寸煤柱的塑性變形特征

由上圖所示，在同樣的開采條帶寬度下，留設煤柱寬度為20 m 時，巷道圍巖未出現任何塑性破壞區，15 m、10 m 時，巷道四角區域處出現輕微的塑性變形區，8 m 時四角塑性變形區開始增多，5 m 時，煤柱中出現了大片塑性變形區，煤柱中央有1 m的彈性區，煤柱接近坍塌，和上文計算最小煤柱寬度4.37 m 相符合。因此最佳的煤柱留設尺寸在6.0 m～7.0 m之間最合適。

6 結論

(1) 基于王莊煤業304 采區的地質和巖石力學條件，依據壓力拱理論，為使地表不出現波浪式變形，最大的開采條帶寬度應不大于27.2 m；

(2)根據公式計算和數值模擬結果綜合分析認為王莊煤業304采區內當采條帶寬度為6.5 m時，煤柱最佳尺寸寬度在6.0 m～7.0 m之間。