孟家窑煤矿煤柱留设研究

武少鹏，翟英达

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

孟家窑煤矿煤柱留设研究

武少鹏，翟英达

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

以煤体一侧和两侧采空后的弹塑性变形区及垂直应力分布理论为基础，对孟家窑煤矿放水巷与211运输顺槽之间煤柱、2号煤层两条下山大巷之间煤柱的留设问题进行了科学合理的设计，从而有效提高了矿井的回采率。

煤柱宽度；弹性核；稳定性

山西潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司为整合矿井，由于经过多年开采、煤炭资源已不丰富，最大限度地减少资源损失显得尤为重要。孟家窑煤矿要在确保煤矿安全生产的前提下，科学合理地确定煤柱宽度，以减少煤柱损失量、提高矿井的回采率。

由于煤柱是起支撑作用的，煤柱尺寸的大小对巷道围岩控制及其正常使用有很大影响。目前国内外在煤柱设计时，主要考虑的因素有作用在煤柱上的载荷、煤柱内的应力分布、煤柱强度、安全系数等，本文将以塑性煤柱理论为基础对煤柱留设进行研究设计。

1 塑性煤柱理论

1.1 煤体一侧采空后的弹塑性变形区域及其应力垂直分布情况

高应力作用下,从煤体（煤柱）边缘到深部，首先是塑性区，且塑性区靠近采空区一侧应力低于原岩应力γH的部分称为破裂区，继续向煤体深部延伸为弹性区和原岩应力区。见图1。破裂区内围岩强度明显降低，只能承受低于原岩应力的载荷，故也称为卸压区或应力降低区。塑性区承受着高于原岩应力的载荷，它与应力升高的弹性区合在一起，统称为承载区或应力增高区。塑性区与弹性区的交界面是垂直应力最高的地方。

1.2 煤体两侧采空后的弹塑性变形区域及其应力垂直分布情况

当煤体的两侧均被采空时，其应力分布状态主要取决于回采所引起的支撑压力影响距离L和煤柱宽度B。

1）当煤柱宽度较大时（2L＞B＞L），煤柱中央所受应力由其两侧回采所引起的支承压力叠加而成；因煤柱较宽，煤柱中部的应力叠加较其两侧低（但仍大于原岩应力γH），会出现较大的弹性核。见图2。

图1 煤体一侧采空后的弹塑性变形区域及其应力垂直分布情况

图2 两侧均采空、宽度较大的煤柱的弹塑性变形区及垂直应力分布情况

2）当煤柱宽度较小时（B＜L），煤柱两侧边缘的支撑压力峰值将重叠在一起，并且中部所受载荷急剧增大，从而导致中部弹性核范围内的应力趋近于均匀分布，应力增高系数k可达4～5以上。见图3。

3）一般情况下，受到回采引起的支承作用后，煤柱内部存在着破裂区（Ⅰ区）、塑性区（Ⅱ区）、弹性区（Ⅲ区），而煤柱中间的弹性核对煤柱的稳定性和承载能力起着至关重要的作用。若弹性核的宽度等于零，即煤柱进入整体屈服状态，在采取合理支护措施后煤柱仍能保持稳定，这是因为煤柱所受的一部分压力会发生转移后传递给人工支护。从目前国内外情况看，为充分考虑煤炭资源的回收，最佳的煤柱宽度应使中间的弹性核宽度为零，即B=2x0其中x0为单侧破裂区宽度与塑性区宽度之和，见图4。

图3 两侧均采空且宽度较小的煤柱弹塑性变形区及垂直应力分布

图4 煤柱屈服宽度力学计算模型

1.3 塑性区宽度计算

对煤柱予以如下假设：

①煤体是连续、均质的各向同性弹性体；②煤柱屈服之前的位移和变形是有限小的；③煤柱不受水平构造应力影响，只受覆岩自重作用；④屈服区为临界弹性状态，可当成线弹性体处理；⑤屈服区因剪切应力发生破坏，剪切面平行于煤层层面；⑥煤柱受力对于煤柱中性面对称。

取煤柱的一半，建立塑性区宽度的计算模型，见图4。从图可知，σzl为煤柱极限强度，与煤岩单轴强度σc和流变系数η有关：σzl=2.729（ησc）-0.271；Px为冒落岩石或人工支护设施沿x轴方向对煤壁的约束应力；σx、σz、τzx分别为煤柱内水平应力、法向应力、剪切应力。把图4模型视作平面应变问题，屈服区应力符合莫尔——库仑准则，求解屈服区界面所需的方程为：

应力边界条件为：

联立上述各式，求得煤柱屈服区宽度rp(等同于图1中的x0)为：

式中：z取绝对值。由上式可见，屈服区宽度与z值相关，煤柱不同高度的屈服区是不等宽的，顶底界面处最小，中间最大，其差别为0.5Ttgφ。当煤柱高为2m、摩擦角为40°时，该差别为0.84 m。按工程设计需要，应按中性面z=0处的最大屈服区宽度来考虑。为了考虑生产对屈服区的扰动影响，在公式中引入开采扰动因子是非常必要的。机采时扰动较小，炮采时扰动较大，其影响屈服区的程度不一样。因此，煤柱屈服区宽度计算的通用公式如下：

式中：T为煤柱高度，m；d为开采扰动因子，d=1.5～3.0；β为屈服区与核区界面处的侧压系数；C为煤层与顶底板接触面的粘聚力，MPa；φ为煤层与顶底板接触面的摩擦角，°；σzl为煤柱极限强度，MPa；Px为煤壁的侧向约束力，MPa。

一般情况下，煤柱的极限强度在工程上可以分为3类：软煤柱：σzl=（0～5）MPa，中硬煤柱：σzl=（5～10）MPa，硬煤柱：σzl=（10～20）MPa。

按照煤柱与顶底板界面的结合性能，可将结合界面分为3类:弱结合：c=（0～0.5）MPa，φ=10°～20°，一般结合：c=（0.5～1.0）MPa，φ=（10～20）°，强结合：c=（1.0～3.0）MPa，φ=（20～30）°

2 关于放水巷与211运输顺槽之间的煤柱留设

按照塑性煤柱理论的观点，得出放水巷与211运输顺槽之间的煤柱应至少留设2rp=20.72m，实际留设时取整为21m。需要注意的是，由于211工作面在回采期间会对煤柱产生采动影响，假设211工作面侧向支承压力的影响范围为S0，那么原则上煤柱尺寸应该不小于S0，否则就得根据矿压显现规律及侧向支承压力对放水巷稳定性的影响加以特别考虑。

3 关于2号煤层两条下山大巷之间的煤柱留设

对于上下山巷道的护巷煤柱，考虑到服务年限较长，所以可使煤柱中部有一个弹性核，从而保证上下山巷道的稳定性。一般弹性核宽度取（1～2）M（其中M为采高），故该下山大巷的煤柱宽度应为B=2rp+（1～2）M，即有：B=2rp+2M=27.92（m）.即按照塑性煤柱理论的观点，2号煤层两条下山巷之间煤柱宽度取整为28m。

4 总结

综上所述，按照塑性煤柱理论：放水巷与211运输顺槽之间煤柱应留设21m；2号煤层两条下山巷之间煤柱应留设28m。

Research on Coal Pillars in Mengjiayao Mine

WU Shao-peng,ZHAI Ying-da
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

Based on the elastic and plastic deformation and vertical stress distribution after the one-side or two-side of coal were mined out,the pillars between water release tunnel and211 transporting crossheading and the pillars between two dips of No.2 seam were designed to increase the recovery rate effectively.

coal pillar width;elastic nuclear;stability

TD822.3

A

1672-5050（2012）02-0049-03

2012-01-01

武少鹏（1985—），男，山西长治人，在读硕士研究生，从事矿山压力与岩层控制方面的研究。

徐树文