论深井巷道保护煤柱留设宽度计算方法

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摘 要：随着采深的加大，支撑压力加大，显现剧烈波及范围广，为此应采用符合现场实际条件的保护煤柱计算方法和公式，确定合理的煤柱宽度，合理留设煤柱是保证井下巷道良好稳定状态的一个重要保证。

关键词：深部开采；煤柱宽度；计算

中图分类号：TD824 文献标识码：A

1 概述

留设保护煤柱是保护巷道，使其不受开采动压影响，保持巷道良好稳定状态，满足安全生产的一个重要方法。

煤柱的强度和稳定性对煤（岩）层的控制有极大的影响。它的强度必须保证煤柱承受荷载过程不受破坏，方可保证布置在煤柱内的巷道不受破坏，保持稳定状态。

在特定煤（岩）层中，煤柱的强度，取决于煤柱的尺寸，而煤柱的高度一般等于煤层的厚度，故煤柱的强度只取决于其宽度。

因此，合理确定煤柱宽度，留设煤柱是保证井下巷道良好稳定状态的一个重要保证。

2 煤柱的用途及设计方法

煤柱是用于支护巷道，保持巷道稳定的，所以应设计成经历整个开采过程，即巷道掘进和工作面回采时承受荷载不被破坏。

2.1 煤柱的荷载煤柱受荷载过程分两个阶段

一是巷道开凿后立即产生的荷载。二是回采过程中产生的支撑压力。

2.1.1 开采前的荷载

巷道开掘后即在巷道周边煤岩柱上产生一荷载，开采前煤柱的荷载为煤柱体上方覆盖岩层的重量P。

P=（Lp+Wo）(Wp+Wo)rh （1）

其平均应力σa

σa==（1+Wp/Lp）(1+Wo/Wp)·rh·LpWp

式中：P-煤柱总荷载t

Wp-煤柱宽度m

Wo-巷道宽度m

Lp-煤柱长度m

h-覆岩层厚度m

r-岩层容重t/m3

2.1.2 回采过程中产生的荷载

长壁后退工作面回采时在工作面周围和护巷煤柱上，将产生支撑压力，其值等于P2=Krh（K-应力系数），支承压力沿煤柱（体）壁面附近最高，深入到煤柱中心则减小，其分布规律见图1。

最大峰值Pzmax-（2-5）hr

煤柱的荷载即是开采前荷载与开采过程的最大支承压力之和。

根据井下实际观测和研究结果表明其平面波及范围达60m-150m。

由于回采过程中产生的荷载远大于开采前的荷载，所以说，支撑压力对煤柱的破坏及布置在煤柱区域内的巷道破坏起主要作用。

要想保持煤柱内巷道围岩不受破坏，必须保持护巷煤柱的稳定，煤柱的强度要大于煤柱的荷载。

2.2 煤柱宽度的选择依据

由于煤柱的强度主要取决于煤柱的宽度，合理选择煤柱宽度是保证煤柱强度，保持巷道围岩稳定的关键。

目前采用的护巷煤柱有窄煤柱和宽煤柱两种形式。

根据国内外有关井下实测资料及研究结果表明:（1）窄煤柱巷道位于回采引起的支撑压力峰值区附近，不仅在采动期间围岩变形十分强烈，而且在采动趋向稳定，支撑压力衰减期间围岩变形仍很大，巷道维护十分困难。（2）宽煤柱巷道在回采强影响期间变形比较缓和，且随采动影响的减弱，支撑压力下降，巷道围岩变形就趋向稳定，巷道维护较容易。

2.3 宽煤柱护巷煤柱宽度的确定方法

宽煤柱护巷在我国的实践研究较小，没有可供使用的煤柱宽度计算方式，煤柱宽度的确定，一般借鉴美国和英国的经验公式计算并与我们实地现场实践相结合。

美国阿什列（矿山检查员）公式

WP=0.1h+4H+5 （2）

式中WP-边界煤柱宽度 m

H-煤柱（层）厚度 m

h-上覆岩层厚度（采深）m

压力拱公式

Wp=（Wpa+Wt）/2 （3）

Wpa=0.15H+20

Wt≤3/4Wpa（一般取3/4）

式中：Wpa-最大压力拱最小宽度

Wt-多条巷道和间隔之煤柱总宽度

英国煤矿工作者经验公式

Wp=（h/10）+15（4）

3 保护煤柱设计存在的问题及改进

东海煤矿是一个有50多年开采历史的老矿，井深、巷远、地压大。现开采深度平均900m以上，最大开采深度达1100m，属典型深井开采。巷道支护极困难，由于特定条件所限，我矿大部分主要巷道均布置在煤层或距煤层较近的岩层中，而留设的保护煤柱宽度较小，一般在40-60m。受采动压力影响较大，巷道支护虽采用了国内外先进的高强度、高预应力锚带网+锚索+喷砼等组合支护方式，但巷道受采动压力影响破坏严重，冒顶片帮底鼓严重。巷道需经多次维修支护，维修量大，费用高每米维修费用平均达1500-2000元，每年支出费用高达400多万元，且影响生产、威胁安全，严重影响企业健康发展。所以确定合理的煤柱宽度是确保巷道稳减少费用降低成本保证安全生产的一个重要途径。

我矿现采用的煤巷设计方法及计算公式：

我矿井下巷道（采区上、下山、主运巷、石门）留设保护煤柱采用依据和计算方法是我国煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》之第81条-90条有关规定。

S=2S1+2a （5）

S1= （6）

式中：S-煤柱总宽度；m

S1-巷道保护煤柱的水平宽度；m

a-受护斜巷，巷道宽度的一半；m

H-巷道的最大重深；m

M-煤厚；m

f-煤的强度系数；f=0.1

Rc-煤的单向抗压强度，Mpa

存在的问题

采用岩层移动设计和公式（6）

S1=

计算的保护煤柱宽度值较小

随着采深的加大，支撑压力加大，显现剧烈，波及范围广，平面传播距离达120m以上，（向下传播距离达60m以上）。例如：五采区32#层四段绞车道在标高-640m-690m段（采深860m-910m），距实际煤柱线达80m，其采动压力显现剧烈，巷道围岩变形量大，破坏严重，出现冒落，片帮底鼓，巷道变形量达40%以上，而煤柱宽度为60-70m的风道，皮带道和布置在底板岩层中的联络石门车场，（距煤层14-40m，煤柱线60m）其破坏程度更为严重，且巷道多处压垮，最大变形量达70%以上，平均变形量50%巷道修复工程量多，难度大，投资高，无法保证安全生产。在五采区35#层巷道和六采区32#层的巷道等也出现了同样状况，严重制约安全生产。

建议改进计算方法，确定合理煤柱宽度：通过现场实际状况反映出我矿现采用的煤柱设计计算方法，不符合现场实际状况需要，留设的煤柱宽度不够，没有使巷道布置在应力变形的平稳区内，致使巷道承受了K值加大的支承压力，变形量大，无法保持良好的状态。为此，应采用符合现场实际条件的保护煤柱计算方法和公式，确定合理的煤柱宽度。

建议采用公式（2）（3）（4）之一公式计算保护煤柱宽度。

示例：以五采区32#层采区下山为例，取采深800m和1000m，煤层厚度1.7m。

使用公式（3）

WP=0.1h+4H+5=0.1（800-1000）+4×1.7+5=（92-112）m

以上计算方法计算结果所得的煤柱宽度和现场实践保证巷道稳定所需煤柱宽度相吻合，且由于宽煤柱在采区报废时可以有计划的进行回收，故对资源回收率不造成影响。所以采用以上方法计算保护煤柱的宽度，以确定合理可靠的煤柱宽度，达到有效支护巷道，保持巷道稳定的要求。

参考文献

[1]吴长春.浅析煤矿开采系统中的机械化[J].黑龙江科技信息，2008-04-25.

[2]康志红.浅谈煤矿开采沉陷区的综合治理措施[J].中国管理信息化，2011-09-01.