1、专题部分区段煤柱的理论计算方法摘要：煤炭是我国主要能源，随着煤炭的连续开采，浅、表部煤炭资源越来越少，目前己转向深部煤层的开采。为了提高综放开采煤炭的回收率，如何缩短区段煤柱的宽度，已成为现在的一个热点问题。本文通过分析煤柱的力学状态和破坏机理，结合前人的经验公式，得到了煤柱计算的理论方法，为综放工作面合理留设煤柱尺寸及其支护设计提供了理论依据。关键词：区段煤柱；计算方法；弹塑性区宽度；SMP准则1前言煤炭是现代世界五大能源(煤炭、石油、天然气、水电、核能)之一，在我国经济和源结构中，都占据着非常重要的地位。长期以来，煤炭在我国能源一次性消耗占70%以上在今后相当长的时期内，以煤炭为主的能源状
2、况不会改变。但近年来，大倾角中厚煤层区段煤柱留设宽度问题日益突出，虽前人针对此问题提出了一些解决方法，但从推广应角度出发仍存在一定的缺陷，因此，如何从实用角度出发确定其合理留设宽度已成为大倾角中厚煤层开采亟待解决的问题之一。在当前矿井回采巷道布置中，一般采用沿空巷道或双巷掘进的布置方式。相比较而言，沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷，无论是在回收煤炭资源还是在巷道开挖工程量上，都比留煤柱护巷具有更好的技术经济优势。因而，我国很多矿区为了少掘巷道、增加煤炭资源回收率、改善生产的连续性即采掘接续紧张问题，在条件允许的前提下均寻求沿空留巷技术。然而，受采高、倾角及特殊顶底板等开采条件的限制，沿空留
3、巷也遇到了一些技术难题，如：(1)在特殊顶底板条件下，巷旁煤体对沿空留巷顶板稳定的作用方面研究还不够；(2)不论是传统的木垛巷旁支护还是最新的高水平材料巷旁充填支护，它们都属于被动支护，但随着采高的增大，巷旁支护的初始阻力难以保证；(3)由于巷内与巷旁支护方式选型和参数的选择上不够合理，造成巷内与巷旁支护不能共同维护沿空留巷的稳定。因此，在沿空留巷不能保证煤矿正常安全生产时，双巷掘进(留设区段煤柱)仍是一种很好的后续回采巷道布置方式。在我国，留设煤柱一直是煤矿传统的护巷方法，区段平巷双巷掘进和使用，其技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利，尤其在煤层倾角较大的条件下，这种方式更为普遍，但
4、煤炭资源损失量大、巷道掘进工程量大的缺点也暴露无疑，此时合理的煤柱留设宽度成为相应的一个研究热点。对此，国内外专家学者提出了许多不同的方法和理论，总结起来主要集中在四个方面：一是通过现场布点实测，测定采动作用下煤体内的应力分布状态，以此来确定回采巷道布置与煤柱宽度；二是应用弹塑性理论，推导出区段煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式，以此来确定煤柱的宽度；三是利用计算机软件进行数值模拟，以此来分析确定煤柱的合理尺寸；四是采用传统的现场生产经验，以此来确定煤柱留设宽度(一般普遍采用2025m宽的煤柱)。这些方法和理论虽然对推动大倾角煤层煤柱合理留设宽度研究具有积极的作用，并在一定程度上得到了现场应用，
5、但也仍存在一些缺陷和不足：(1)依托现场设点观测来分析确定煤柱的宽度，此方法虽然适用，但并没有考虑到区域地质条件的差异性和多变性，对于同一煤层而言，即使是同一区域的不同工作面，甚至同一工作面的不同地段，其地质条件也会存在较大差异，因此在该条件下，设点观测分析也仅能起到评价所观测区域煤柱留设是否合理，而对整个区域的煤柱留设只能起到借鉴作用。况且该方法需要耗费大量的人力、物力和时间。(2)对于理论研究而言，其所考虑的影响因素越多，与实际接近的程度就越近，越符合实际，但其所获得的理论计算公式也相应越复杂，参数求取越困难，对现场工程技术人员的知识水平要求就越高，因此在煤矿生产实际当中并未获得广泛应用；
6、(3)对于计算机数值模拟而言，该方法目前仍属一种趋势规律研究，与现场实际情况仍存在一定距离，也仅能对煤柱留设宽度确定分析起指导作用，同样受现场工程技术人员知识水平所限，也并未得到广泛应用；(4)依托生产经验来确定煤柱的留设宽度，虽然方法简单，安全有时也能获得保证，但从资源回收上是否经济则无法保证，难免会造成不必要的资源浪费。综合以上，各种方法虽然对研究大倾角条件下煤柱宽度的确定具有很好的借鉴意义并在一定程度上得到了现场的应用，但该应用仅限于局部，从总体来看，并没有得到真正意义上的广泛推广和应用，究其原因则即有方法自身的原因，更主要的还是由于方法过于复杂而导致在工程技术人员自身知识水平和能力有限
7、的条件下难于掌握。因此，从实用和便于掌握的角度出发，寻求一种能够容易被现场工作人员接受且实用的区段煤柱宽度确定方法就显得十分必要。本文提出的目的和意义在于：(1)，在保障安全的前提下，从最大限度地提高煤炭资源回采率出发，确定煤层区段煤柱合理宽度的方法，以此为该类条件下煤柱合理宽度的确定提供理论支持与参考；(2)从实用和便于现场工程技术人员掌握的角度，确定出该条件下煤柱合理宽度的计算公式，以利于现场推广应用。2国内外研究概况、水平和发展趋势长期以来，国内外学者对区段煤柱留设问题的研究主要集中在以下三个方面，即基础理论研究、计算机数值模拟和现场实测研究。其中，基础理论研究主要是以某种理论为先导，依
8、托理论分析并给出相应解决问题的计算公式，从而形成确定区段煤柱合理留设宽度的理论体系；计算机数值模拟是通过计算机模拟软件对煤柱内的应力分布及介质变形破坏规律进行数值模拟计算，以此分析和确定煤柱合理宽度；现场实测研究是通过现场布点了解区段煤柱的破坏情况以及煤体内的应力分布状况，从而确定合理的区段煤柱宽度。在基础理论研究方面，由于欧美等国家对矿山压力研究较早，故欧美专家学者对区段煤柱合理留设理论提出较多，我国学者则多在国外学者提出的理论基础上，结合我国实际生产情况进行了相应的完善。有效区域理论。有效区域理论以罗兰(Rowland，1969)、理查德(Richards，1975)和斯格兰格埃特等为代表
9、，假定各煤柱支撑着它上部及与所邻近煤柱平分的采空区上部覆岩的重量，以此来分析煤柱的破坏以及确定相应的煤柱稳定宽度。这一理论简单易行，在主要开拓和生产煤柱设计方面得到广泛应用。但从其适用性上来看，该理论只能在开掘面积较大、煤柱尺寸、间隔相同、分布均匀的情况下使用。 压力拱理论。此理论认为，由于采空区上方形成压力拱，上覆岩层的载荷只有一小部分用在直接顶上，其它部分的上覆岩层载荷会向两侧的煤柱转移。压力拱的内宽主要受上覆岩层的厚度及采深的影响，压力拱的外宽主要受覆岩内部组合结构的影响。如果采宽大于压力拱的内宽时，则载荷会变得较为复杂，此时压力拱不稳定。即使采宽小于压力拱的内宽，其稳定性也随时间的变化
10、而变化。所以该理论给出了煤柱尺寸的估算方法，认为载荷的分布是复杂的而且有时间性。A.H.威尔逊(Wilson，1972)理论。A.H.威尔逊理论是建立在煤柱三向强度特性的基础上，依据煤体的三向强度特性来分析确定煤柱的稳定性及相应的宽度。该理论克服了其它方法的缺陷，相比较而言更加有用和可靠，因此得到了较广泛的应用。然而，该理论同样有不足之处，例如tg、rp的经验算法与取值等问题，这些问题在一定程度上限制了它在英国以外地区的应用。核区强度不等理论。格罗布拉尔把煤柱核区强度和实际应力联系在一起，从而确定核区内不同位置的强度。该法比较重视煤柱的尺寸和形状，并且认为煤柱核区强度各处不等，煤柱核区平均应力
11、水平即使高于极限值，由于破裂颗粒之间的内摩擦，也不会导致煤柱的彻底破坏，但可能导致煤柱核区和顶、底板连结性能降低，可能引起煤柱的突出或顶、底板在煤柱边缘附近出现不允许的移动。核区强度不等理论虽然有较严密的理论推导，是理论方面的精确计算方法，但它是以理想假设为基础，没有考虑到地质采矿条件的非均匀性，且由于给出的理论计算公式过于复杂、繁琐，参数求取不易，从而限制了它的普遍使用。极限平衡理论。K.A.阿尔拉麦夫(1967)和E.C.科诺年科(1954)利用弹性力学中的三维立体模型分析方法，研究了在煤柱与顶板、底板的接触面上有整体内聚力条件下的任意三边尺寸比值的煤柱应力状态，并得到规则煤柱的顶面所受垂
12、直应力的分布形态。平台载荷法理论。A.H.威尔逊理论公式、核区强度不等理论公式等都是以“煤柱可分为屈服区和核区两部分，核区受屈服区约束”为根据，均有各自的合理成分和应用条件，但都存在一个共同的缺陷，即没有考虑到煤柱与顶、底板接触界面的内聚力C和内摩擦角的影响，或考虑了但始终没有对其明确定义，因此吴立新、王金庄等人在以上公式基础上提出了“平台载荷法”原则，并依据此原则推导了煤柱宽度的计算公式。除以上理论外，还存在一些依托实际工程背景而提出的一些区段煤柱宽度理论计算公式，以及一些隐含在实际工程问题中的区段煤柱宽度计算公式和方法。旺格维利采煤法是澳大利亚针对新南威尔士南部海湾的旺格维利煤层而开发的一
13、种采用连续采煤机组实施断臂开采的采煤方法。神东煤炭分公司部分矿井在采用旺格维利采煤法回采过程中，为取得煤柱与顶板的作用关系，进行了大量理论和现场工作，在结合理论计算基础上，对合理煤柱尺寸进行了数值模拟研究和现场监测，从而得出了合理的煤柱尺寸。为了研究覆岩运动规律，针对地层结构力学性质的差异和其对覆岩运动所起的不同作用，我国学者提出了“岩层控制中的关键层理论”。此理论对岩层控制的实质有了更深入的了解，通过设计合理的煤柱宽度，使上覆岩层中的关键层在留设煤柱支撑下不发生破断而保持稳定，从而起到支撑其上覆直至地表的岩层，控制地表的沉陷，保护地面设施。除以上所述，陈金国对大量实测结果的数理统计、归纳推理
14、的同时，得出不稳定围岩条件下护巷煤柱尺寸的经验计算方法；胡炳南从煤柱强度分析出发，导出任意方向弱面剪力强度安全系数计算式；崔希民等应用从属面积法分析原理，得出倾斜煤层条带煤柱应力表达式认为剪应力对煤柱强度和稳定性有影响；郭文兵等分析了影响走向条带煤柱稳定性的主要因素通过光弹实验得出了条带煤柱、采场应力分布随煤层倾角变化而变化的规律、采用模糊数学理论分析了条带煤柱的稳定性；彭文庆等利用设计好的应力采集仪，通过相似模拟实验得出煤柱上支承压力变化；张开智等从研究钻孔煤粉量变化规律与支承压力分布规律的关系入手，找出二者之间的关系，从而通过现场实测煤粉量的变化来确定煤柱上的支承压力分布峰值与范围。3区段
15、煤柱的力学状态及位置确定3.1沿空掘巷的最佳位置近年来,众多学者及技术人员对沿空掘巷时煤柱宽度的确定及其矿压显现规律进行了研究和探讨,提出了综放面沿空巷道的窄煤柱力学模型和宽煤柱力学模型。通常,在侧向存在采空区的情况下,煤体内存在侧向支撑压力,根据支撑压力分布,巷道可能布置的位置有3种(见图1)。由煤体上方支承压力分布规律可以看出,在位置2掘进巷道,正处于支承压力高峰区巷道不易维护；在位置3掘进巷道,巷道比较容易维护,煤柱损失比较大;在位置1掘进巷道,可提高煤炭回采率,但位置确定较难,巷道变形量大。通常将在位置3布置回采巷道而留设的煤柱称之为宽煤柱,将在位置1布置回采巷道而留设的煤柱称之为窄煤
16、柱。如何保证巷道避开支撑压力峰值区,是合理保留煤柱宽度研究的核心。3.2沿空煤体边缘应力分布 通过现场实测、理论及试验研究表明，采空区边缘煤体的应力分布和变形与破坏状态具有一定规律。煤体边缘的力学状态可以分为以下几个区： (I)卸载松散区:位于煤体边缘，煤体连续性遭到很大程度的破坏，裂隙及其发育呈碎裂状，变形加剧，承载能力下降，在全压力应变过程中处于峰后末端；在此区的巷道受到一定程度的变形压力的影响。 (lI)塑性强化区:位于卸载区和支撑压力峰值位置之间，煤体己经进入塑性变形和破坏阶段，在相当较高的围压作用下仍保持其连续性，且有一定的承载能力在此范围内的巷道受较大的支撑压力和煤体变形压力的影响。 (III)弹性变形区：位于煤体边缘支撑压力峰值区过度到原始应力区，煤体有较高的应力，煤体保持弹性变形状态;此范围煤体有较高的承载能力；此区内的巷道变形量较小。(IV)原始应力区:距煤体边缘较远，煤体的应力和
