基于松动圈测试区段煤柱合理留设尺寸的探究

晓亚迪， 段文婷 ， 李 源

（1.太原理工大学， 山西 太原 030024； 2.山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

1 矿井及工作面概况

山西某矿第八盘区主采二叠纪8号煤层，煤层结构较为复杂，平均夹矸5层，夹矸厚度最大0.5 m，平均煤厚为4.7 m，平均倾角为3°，煤层顶底板岩性如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性

图2 工作面布置图

8109工作面和8110工作面埋深115～204 m，8109工作面西邻8110未采工作面，东临8108已采工作面，北部为井田保护煤柱，南部为一盘区盘区大巷，工作面布置图如图2所示。模拟的煤柱尺寸为8109回风顺槽与8110运输顺槽之间的区段煤柱，8109与8110综采工作面均为准备工作面，尚未进行回采。8109工作面在进行回采时，8110运输顺槽将作为8109工作面的辅助运输顺槽，8109回风顺槽与8110运输顺槽均为矩形断面顺槽，巷道跨度为4.8 m，高度为 3.8 m[1]。

2 煤柱垂直应力分布及其稳定性

2.1 一侧采空时，煤体（柱）的弹塑性变形去及垂直应力分布

当区段煤柱一侧为采空区时，即煤体（柱）临近采空区的一侧处于弹性变形阶段，煤柱中弹塑性变形区与煤柱受到的垂直应力分布如图3所示。由图可知，煤体（柱）受到的垂直应力与临近采空区的距离s有关系，随着s的逐渐增大（远离采空区边缘），垂直应力呈近线性增加，当到达一定范围后，呈负指数关系递减到原岩应力值。在回采工作面的采动作用下，从煤体（柱）的边缘到煤体（柱）的深部，都会出现破裂区（临近采空区一侧受到的垂直应力低于原岩应力）、塑性区、弹性区和原岩应力区。

图3 煤柱(体)的弹塑性变形区及垂直应力分布

当煤柱（体）深部与靠近采空区边缘一侧的距离逐渐增大时，煤柱（体）的承载能力也会逐渐提高。在煤体（柱）靠近采空区的一定范围内，煤体（柱）的承载能力与支承压力会处于极限平衡状态。此时，运用极限平衡理论可求得煤体（柱）的塑性区宽度范围s：

式中：K为应力集中系数；p1为支架对煤帮的阻力；m为煤层开采厚度；C为煤岩体的内聚力；φ为煤岩体的内摩擦角；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数。

根据煤矿现场实际开采，x0的范围为3～20 m，一般为5～12 m。应力降低区的宽度范围为2～7 m，一般为3～5 m。

2.2 双侧采空时，煤柱的弹塑性变形去及垂直应力分布

工作面回采过程会引起支承压力的重新分布，其应力分布状态的变化范围L与煤柱留设的宽度B有关，且主要分为以下三种：

1）当B＞2L时，煤柱在中部会受到均布载荷的作用，均布载荷大小为初始应力γH。在煤柱边缘靠近采空区的位置会出现应力集中的现象，称之为高应力区。从煤柱靠近才空区的一侧到煤柱中部核区依次为破裂区、塑性区、弹性区及原岩应力区[2]。

2）当L＞B＞2L时，煤柱中部位置恰好为支承压力相叠加的位置，故其应力值会大于原岩应力值γH，煤柱受到的垂直应力整体呈现“马鞍形”分布的特点。

3）当L＞B时，靠近采空区的煤柱两侧边缘会使得支承压力相互叠加，使得支承压力峰值在煤柱中部相互叠加，故煤柱中部承受的载荷明显大于上述两种情况。因此煤柱在受到两侧回采工作面采动作用的影响时，应力集中系数K会突增到4～5，并且煤柱中部由于受到长时间的高应力状态会发生塑性流动破坏的现象。

3 煤柱尺寸研究及其松动圈测试

3.1 煤柱合理尺寸的研究

基于岩体极限平衡理论，运用下式确定煤柱塑性区的宽度：

式中：m为煤层采高，m，由于矿井实际的开采高度与回采巷道的净高度不同，综合考虑煤层开采作用的影响，故取m为开采高度与巷道净高度和的1/2。f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，f=0.25tanφ；φ为煤体的内摩擦角，°；K为应力集中系数，当煤体（柱）一侧受到采动作用时，K为2.5，当煤柱两侧都受到采动作用采动时，K为4；C为煤岩体的内聚力，一般取值为0.45～0.75 MPa；p1为支架对煤帮的阻力，取为 0[3]。

根据矿井实际地质情况，已知煤层开采深度H=300 m，上覆岩层容重 γ=25 000 N/m2，煤柱由于受到两侧采动作用的影响，故K取4，结合矿井煤层开采作用的影响，取m=3.8 m；根据实验室实验侧的煤体的内聚力和内摩擦角分别为C=1 500 kN/m2和φ=30°，故计算可得8110运输顺槽与8109回风顺槽之间的煤柱宽度B为20 m。

3.2 松动圈测试

1）测试仪器：ZBL-U510型非金属超声检测仪。

2）测试方法：针对8110运输顺槽与8109回风顺槽围岩松动圈测试采用单孔测试法。测孔钻成后及时进行了测试，没有出现测孔变形或坍塌现象，测试前用压力水冲洗每个测孔，把测孔中的煤岩粉冲洗干净；耦合方式采用水耦合。声波无损检测分析仪连接探头通电预热后，用推杆将探头送入孔底，然后拉动推杆将探头向外每移动10 cm读一次声时，直到孔口为止。

3）测试结果如表2说示。

表2 松动圈结果

松动圈测试结果如表2所示，由此可知：第一，随着工作面的不断推进，回采巷道的巷道围岩松动圈范围显著增大，在工作面超前35 m到15 m的回采范围内，负帮松动圈由1.2 m增大到2 m，正帮松动圈由1.4 m增加到2.6 m；第一，负帮松动圈范围普遍小于正帮松动圈范围。因此，根据稳定护巷煤柱宽度留设的条件，按照现场实测的松动圈范围，负帮取1.2m，正帮取2.6m，煤层厚度为3.8m，则煤柱合理宽度为10m[4]。

4 结论

1）根据松动圈测试结果分析，在受到采动影响作用后，巷道测得的松动圈最大值是2.6 m，煤柱的合理宽度是10 m。

2）经理论计算表明，煤柱宽度为20 m。

综合以上研究结果，8109回风顺槽与8110运输顺槽之间煤柱的合理宽度为20 m。