孤島綜采工作面護(hù)巷煤柱理論技術(shù)研究

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1、孤島綜采工作面護(hù)巷煤柱理論技術(shù)研究陳立軍（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院）摘要：隨著煤炭產(chǎn)量的不斷提升，造成采掘接替緊張，煤礦將回采邊角煤柱，煤柱通常情況下位于采空區(qū)邊緣，分為可回采和不可回采兩種?；夭擅褐鶗r(shí)容易引起采空區(qū)邊緣的頂板的跨落，造成煤柱采空區(qū)一側(cè)處于破碎區(qū)。巷道在掘進(jìn)期間，巷道的周邊應(yīng)力不斷向巷道兩側(cè)轉(zhuǎn)移，作用在煤柱體上，這種轉(zhuǎn)移特別顯現(xiàn)，破碎區(qū)的應(yīng)力也會(huì)重新分布，導(dǎo)致煤柱承載能力不斷下降。因此，通過對(duì)需要留設(shè)煤柱的綜采工作面提供基礎(chǔ)理論，確保工作面在回采過程中，避免因周圍壓力而影響工作面安全回采。.jyqk、A2塊段煤厚為8.4m、A3塊段煤厚

2、為6.4m、A4塊段為實(shí)體煤煤厚為9.5m。2影響煤柱穩(wěn)定的因素由于煤巖性質(zhì)和煤柱內(nèi)部的多種不連續(xù)、不規(guī)則面構(gòu)成的煤柱，其穩(wěn)定性取決于這兩者及煤柱的外部地質(zhì)條件（初始構(gòu)造應(yīng)力、頂?shù)装寮s束情況、地下水等）[2]。多年來國內(nèi)外專家及學(xué)者通過理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室煤巖試塊強(qiáng)度的測定及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等手段來測定煤柱強(qiáng)度從而確定其穩(wěn)定性，到現(xiàn)在還沒有得到普遍適用的公式[3]。在分析某個(gè)煤柱的強(qiáng)度時(shí)要具體情況具體分析，以煤巖材料和煤柱所處的外部地質(zhì)環(huán)境為準(zhǔn)，不能一概而論。因此，選取了二個(gè)重要的、具有普遍影響煤柱穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析。2.1煤柱強(qiáng)度的尺寸根據(jù)Hustrulid（1

3、976）研究，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可用下述公式換算為現(xiàn)場立方體試件的強(qiáng)度值：①現(xiàn)場立方體煤柱邊長h小于0.9m時(shí)：式（2）中：σc，實(shí)驗(yàn)室測試單軸強(qiáng)度，MPa；σm，現(xiàn)場臨界立方體試件單軸強(qiáng)度，MPa；D，實(shí)驗(yàn)室試件直徑或立方體邊長，m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：煤柱的強(qiáng)度不是一成不變的，隨著D（寬度）/H（高度）比值變化而變化，當(dāng)D（寬度）/H（高度）比值增加時(shí)，煤柱強(qiáng)度也會(huì)增大，反之亦然。而且煤柱越寬，水平應(yīng)力也會(huì)越高。由此得出煤柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性與煤柱的寬高比值有關(guān)。要想提高煤柱的強(qiáng)度就需要將煤柱的寬高比值設(shè)定在較小的范圍內(nèi)，這時(shí)煤柱與頂?shù)装逑嗷プ饔枚a(chǎn)生的端面約束影響范圍較

4、大，相當(dāng)于在煤柱上施加了側(cè)向約束力，間接的提高了煤柱強(qiáng)度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，煤柱強(qiáng)度（σp）是隨煤柱寬高比值（D/H）增加而增大，這種增大是有一定范圍限制的，當(dāng)煤柱寬高比達(dá)到8以上時(shí)，煤柱強(qiáng)度基本不再增大[4]。如圖1所示：一般情況下，煤柱壓縮變形的趨勢隨著煤柱寬高比值在不斷變化[5]，但當(dāng)煤柱寬高比值達(dá)到3以上時(shí)，煤柱壓縮變形基本保持不變，煤柱壓縮變形量很小，壓縮變形量不超過10mm/m，如圖2所示：圖2煤柱壓縮變形淵mm窯m-1冤與寬高比之間的關(guān)系2.2開采深度對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響在相同地質(zhì)條件下，煤巖及煤柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及所處的外部條件基本一致，在同樣開采方法和采

5、高條件下，煤柱的穩(wěn)定性主要取決于埋藏深度。如圖3所示。由圖可知在相同地質(zhì)條件下，煤柱的安全因子隨著埋藏深度的增加而降低，在100m埋深時(shí)安全因子為2.0；當(dāng)埋深達(dá)到250m時(shí)，安全因子只有0.8左右，由此可見，埋藏深度直接影響著煤柱的穩(wěn)定性。3煤柱寬度的確定3.1經(jīng)驗(yàn)公式分析在無支護(hù)參數(shù)情況下，采用煤柱護(hù)巷，需留設(shè)較大的煤柱。在以往的設(shè)計(jì)中，考慮采動(dòng)的影響，保持穩(wěn)定狀態(tài)的極限煤柱寬度可用下式計(jì)算：B1=15.43+0.098H（σc＜10MPa）（3）=8.43+0.046H（10MPa≤σc≤20MPa）=5.34+0.032H（σc≥20MPa）式中：B

6、1———煤柱的最小寬度，m；H———巷道埋設(shè)深度，m；σc———煤層的單向抗壓強(qiáng)度，MPa。由于煤層的f=1.3，則σc=13MPa，所以用公式B1=8.43+0.046H，H=450m，代入可得B1=29.13m。因此，在無支護(hù)參數(shù)時(shí)，留設(shè)保護(hù)煤柱最小為29m。3.2輔助面積理論目前，輔助面積理論以其簡單方便的確定煤柱載荷而得到了廣泛的應(yīng)用。該理論假設(shè)：一個(gè)煤柱均勻支撐著煤柱上覆巖層的重量，并且支撐著煤柱兩側(cè)巷道寬度一半范圍內(nèi)的巖石重量。①巷道掘進(jìn)后產(chǎn)生的載荷P=(a+D)γH（4）式中：P———為煤柱載荷，MN/m；a———為煤柱寬度，m；D———巷道寬

7、度，m（D=4.5m）；γ———上覆巖層平均密度，MN/m（3γ=0.025MN/m3）；H———為采深，m（H=450m）。②煤柱應(yīng)力計(jì)算假設(shè)作用在煤柱上的載荷是均勻分布，則煤柱上的平均應(yīng)力為：③煤柱強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)研究表明，煤柱強(qiáng)度與煤試樣的強(qiáng)度、煤柱寬高比有關(guān)，并且與煤試樣的強(qiáng)度、煤柱寬高比成正比，隨著煤柱寬高比的增大而增加。而且通常采用煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式Obert-D；h———煤柱高度，m（h=6m）；A，B為常數(shù)(A=0.678，B=0.322)。則，煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式變?yōu)椋孩苊褐踩禂?shù)在煤柱設(shè)計(jì)時(shí)，其安全系數(shù)采用下式計(jì)算:式中：F———安全系數(shù)，一般

8、取1.3~2.0，（F=1.5）；通過上面公式計(jì)算得