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作者：張毅   

  為了實現(xiàn)高效開采，廟哈孤礦區(qū)回采巷道普遍采用雙巷掘進和維護方式，相鄰工作面回采巷道之間留設(shè)煤柱。在廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層地質(zhì)條件下，礦山壓力及護巷煤柱合理寬度有其自身的特點。針對廟哈孤礦區(qū)安山煤礦5-2煤層地質(zhì)條件，采用理論計算、工程類比、相似材料模擬等方法，對廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層護巷煤柱的合理寬度開展研究。

1  地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件

  安山煤礦為廟哈孤礦區(qū)建成的首個大型礦井，2002工作面為其二盤區(qū)首采工作面，開采煤層為5-2，煤層平均厚度2.14m，為近水平煤層，傾角O～3°，煤層底板平均標高116 6m，最大埋深12 9m，最小埋深16m，工作面設(shè)計地質(zhì)儲量158.1萬t，回采儲量136.4萬t，走向長度2012m，傾向長度270. 5m。2002工作面地表植被稀疏，水土流失嚴重，基巖裸露較普遍，基巖以上為第四系黃土及新近系紅土覆蓋，個別區(qū)域土層含沙較大，地形破碎，溝壑縱橫。目前，安山煤礦相鄰工作面護巷煤柱寬度為20m。

  頂板巖性大致穩(wěn)定，偽頂約0. 1～0. 2m，炭質(zhì)泥巖；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚3～6m;基本頂為粗粒砂巖，直接頂與基本頂在工作面大部分區(qū)域比較穩(wěn)定。煤層底板為砂質(zhì)泥巖，較穩(wěn)定，有遇水膨脹泥化特點。

2理論計算

  煤體開挖形成煤柱以后，隨著垂直應(yīng)力不斷向深處轉(zhuǎn)移，支承壓力逐漸增大，直至達到峰值，從煤柱應(yīng)力峰值到煤柱邊界這一區(qū)段，煤體應(yīng)力已超過了屈服點，從煤柱邊界至支撐壓力峰值這個區(qū)域稱為煤柱的屈服區(qū)(L1和L3)。而屈服區(qū)之間煤體稱為彈性核區(qū)(L2)，如圖1所示。

應(yīng)用彈塑性極限平衡理論求得2002工作面采空區(qū)一側(cè)煤柱屈服區(qū)寬度Li，見式(1)。

  將計算的L1、L3和采高M代入式(3)，計算得：L=11.4m。

  因此，通過以上計算，為保持護巷煤柱穩(wěn)定性，安山煤礦工作面間護巷煤柱的寬度基本確定為12m。

3  工程類比

  目前，安山煤礦相鄰工作面護巷煤柱寬度為20m，而陜北其他淺埋煤層礦井留設(shè)尺寸也各不相同，紅柳林煤礦、張家峁煤礦、檸條塔煤礦相鄰工作面護巷煤柱留設(shè)寬度為19. 5m左右（據(jù)西安科技大學為張家峁煤礦所做的煤柱優(yōu)化結(jié)果為：4-2煤煤柱優(yōu)化2m，5-2煤煤柱優(yōu)化Im），韓家灣煤礦相鄰工作面護巷煤柱留設(shè)寬度為14m，神華上灣煤礦12201工作面護巷煤柱為25m，到12205工作面優(yōu)化為18m。陜北地區(qū)部分礦井淺埋煤層護巷煤柱留設(shè)情況見表1。

  采用工程類比法，現(xiàn)將部分煤礦工程地質(zhì)條件進行對比，見表2。

  通過工程類比可知，安山煤礦相對于陜北韓家灣煤礦、張家峁煤礦、上灣煤礦，具有主采煤層埋深相差不大、水文地質(zhì)條件較為復雜、開采高度較小等特點，根據(jù)韓家灣煤礦護巷煤柱寬度14m情況較好，張家峁煤礦4-2煤也將優(yōu)化為17m左右，上灣煤礦大采高工作面礦壓較大情況下留設(shè)18m，為了最大限度地安全地回收優(yōu)質(zhì)煤炭資源，通過工程類比，建議安山煤礦合理的護巷煤柱寬度為15m。

4相似材料模擬

4.1模型設(shè)計

  參考安山煤礦2002工作面ZK19-12號鉆孔及安山煤礦地層綜合柱狀圖，幾何相似比為1：50，選用5000mm×1670mm×300mm的模型架，模型開采單一煤層5-2煤層，依次從左、右向工作面護巷煤柱側(cè)開次，每次開挖步距為2cm�？紤]到模型邊界效應(yīng)的影響，模型左右兩側(cè)至少設(shè)置50cm的邊界保護煤柱。待兩側(cè)煤柱開采完畢，覆巖移動變形穩(wěn)定后，試采工作面護巷煤柱，直至煤柱完全破壞及其周圍發(fā)生大變形。

4.2煤柱試采階段

  依據(jù)實驗方案，工作面間留設(shè)20m的護巷煤柱，待兩側(cè)工作面回采結(jié)束并穩(wěn)定后，對兩工作面間護巷煤柱進行試采，每隔0.5m開挖一次，并觀察煤體及覆巖變形情況。

  從右側(cè)試采煤柱推進6m(留寬為14m)時，煤柱及表面無明顯裂隙，見圖2。

  從右側(cè)試采煤柱推進7m（留寬為13m）時，煤柱及表面開始發(fā)生片幫及微小破壞情況，煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙，并擴展至距離底板38. 75m處；同時，煤柱底板也受壓輕微破壞，見圖3。

  從右側(cè)試采煤柱推進9m（留寬為llm）時，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落，見圖4(a)，且模型背面上部覆巖發(fā)生滑落失穩(wěn)，見圖4(b)，煤柱上覆巖層整體下沉，地表出現(xiàn)明顯彎曲下沉，見圖4(c)。

4.3位移數(shù)據(jù)分析

  右側(cè)試采煤柱推進7m(留寬為13m)時，由于煤體開始發(fā)生片幫和微小破裂，煤柱體上方覆巖逐漸下沉，及煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙；則此時，自下而上的檢測線A、B、C、D、E、F左側(cè)最大下沉量分別為-2. 47m、-2.23m、-2. 02m、-1.77m、-1. 15m、-0.86m;右側(cè)最大下沉量分別為-2. 47m、-2.23m、-1.94m、-1.82m、-1.56m、-1. 05m，見圖5。

  右側(cè)試采煤柱推進9m（留寬為llm）時，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落，煤柱上覆巖層整體下沉，地表出現(xiàn)整體彎曲下沉；此時，左、右兩工作面上方覆巖及地表最大下沉值趨于一致，則檢測線A、B、C、D、E、F左側(cè)最大下沉量分別為-2.47m、-2.27m、-1.98m、-1. 84m、-1. 60m、-1.17m，由于護巷煤柱碎漲系數(shù)較大，且殘余煤柱的支撐，則其上方覆巖及地表最大下沉量小于兩側(cè)，分別為-2.25m、-2.Om、-1.75m、-1.55m、-1.35m、-1.Om，見圖6.

  相似模擬分析結(jié)果表明：煤柱寬度為14m時，煤柱及表面無明顯裂隙；煤柱寬度為13m時，煤柱及表面開始發(fā)生片幫及微小破壞情況，煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙，同時煤柱底板也受壓輕微破壞；煤柱寬度為llm時，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落，建議安山煤礦工作面護港煤柱留設(shè)寬度為14m。

5  護巷煤柱寬度確定

5.1  護巷煤柱寬度確定

  運用彈塑性極限平衡理論計算法理論確定安山煤礦合理的護巷煤柱寬度為12m，工程類比法確定安山煤礦合理的護巷煤柱寬度為15m;相似模擬分析結(jié)果確定安山煤礦相鄰工作面護巷煤柱留設(shè)合理寬度為14m。可以看出三種不同方法得出的護巷煤柱寬度范圍為12～15m，其中基于彈塑性極限平衡理論得出的護巷煤柱寬度最小，工程類比法得出的護巷煤柱寬度最大，這是由于應(yīng)用彈塑性極限平衡理論計算的煤柱寬度是受一次采動影響，相似模擬研究的護巷煤柱寬度是受二次采動影響，而工程類比法是類比相似條件礦井的煤柱寬度，各礦在實施過程中從安全的角度出發(fā)均給予一定的安全系數(shù)。綜合以上研究結(jié)果確定廟哈孤礦區(qū)安山煤礦淺埋煤層相鄰工作面護巷煤柱留設(shè)寬度為15 m。

5.2經(jīng)濟效益分析

  通過研究，認為安山煤礦相鄰工作面護巷煤柱在現(xiàn)有的支護基礎(chǔ)上合理寬度為15m，對比原護巷煤柱留設(shè)寬度20m，每個工作面護巷煤柱寬度優(yōu)化5m，節(jié)約了寶貴的煤炭資源。

  以安山煤礦2008工作面為例，2008工作面走向長度3086m，則增加煤炭資源3086×5×2.3×1. 4= 49684.6 t，可增加產(chǎn)值993.7萬元（按原煤200元／t計算）。安山煤礦后續(xù)仍可布置數(shù)十個工作面，可增加產(chǎn)值上億元，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。

6結(jié)論

  1)運用彈塑性極限平衡理論計算法計算得出安山煤礦合理的護巷煤柱寬度為12m。

  2)采用工程類比法，對比陜北地區(qū)淺埋煤層的韓家灣煤礦、張家峁煤礦、上灣煤礦等，確定安山煤礦合理的護巷煤柱寬度為15m。

  3)煤柱寬度為14m時，煤柱及表面無明顯裂隙；煤柱寬度為13m時，煤柱及表面開始發(fā)生片幫及微小破壞情況，煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙，同時煤柱底板也受壓輕微破壞；煤柱寬度為llm時，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落。相似材料模擬確定安山煤礦相鄰工作面護巷煤柱留設(shè)寬度為14m。

  4)綜合研究成果確定廟哈孤礦區(qū)安山煤礦相鄰工作面護巷煤柱寬度為15m。

5)研究成果創(chuàng)造了較大的社會效益、技術(shù)效益及經(jīng)濟效益，平均一個工作面面優(yōu)化煤柱后可減少5萬t煤炭資源的損失，可增加產(chǎn)值993.7萬元。

7摘要：針對廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層護巷煤柱留設(shè)寬度的問題，以廟哈孤礦區(qū)安山煤礦5-2煤層護巷煤柱為研究對象，采用理論計算、工程類比、相似材料模擬等方法研究護巷煤柱寬度。結(jié)果表明：通過彈塑性極限平衡理論計算得出煤柱留設(shè)理論寬度為12 m，并對不同煤柱寬度進行了相似模擬研究，參考工程類比結(jié)果，確定了廟哈孤礦區(qū)安山煤礦護巷煤柱合理寬度為15 m，成果創(chuàng)造了較大的社會經(jīng)濟效益。