留煤柱支撑控制技术

留煤柱支撑控制技术浅埋煤层采场除了采用机械化长壁工作面开采方法外，部分地方煤矿由于技术和经济方面的问题，而采用简易的顶板控制方法——留煤柱支撑控制方法。由于浅埋煤层顶板覆盖层薄，平均地应力小，采用留煤柱支撑方法存在支护设备投资少等优点，留煤柱支撑控制顶板的采煤方法得到了一定的应用。此类方法比较典型的有长壁刀柱式采煤方法和现代房柱式采煤方法。4.1柱式体系采煤方法的特点在分析房柱式采煤方法的矿压方法之前，先回顾一下柱式体系采煤方法及其特点。1．柱式体系采煤方法的分类柱式体系采煤方法根据煤柱的留设、回采特点可分为多种类型。按照留设煤柱所起的作用可以分为[15]：1）部分回采方式——煤柱起永久支承作用，用以支撑上覆岩层，煤柱的尺寸根据具体情况确定。2）全部回采方式——回收大煤柱时，局部留小煤柱，小煤柱起临时支撑作用，以利安全采煤。回采后，小煤柱随即压垮，顶板及上覆岩层相继垮落。按照是否回收房间煤柱，可分为：房式——不回收房间煤柱；房柱式——回收房间煤柱。按照煤柱形状，可分为：切块式——方形或矩形煤柱；肋条式——肋条形煤柱；条带式——长条形煤柱。按照工作面布置及顶板管理，可分为：房柱式——房式，房柱式采煤方法；短壁式——介于柱式、壁式体系之间的采煤方法。采煤方法分类：房柱式开采方法，在美国、澳大利亚、加拿大、印度、南非等国家已获得广泛应用。美国的井工开采，84%的煤是由这种采煤方法采出的。澳大利亚、印度等也均以柱式开采为主，长壁开采仅占10%左右。2．柱式体系采煤方法的优点和缺点与长壁式开采，柱式体系采煤方法有如下主要优点：1）设备投资少。一般一套房柱式采煤设备的价格为长壁综采的1/5~1/6，而其单产一般为长壁工作面的1/2~1/3。因此，房柱式采煤方法的设备投资较低。2）采掘合一，建设期短，出煤快。3）设备运转灵活，搬迁快。4）巷道压力小，便于维护，出矸量少。5）留煤柱控制顶板，有利于保护地表，减少地表治理费用。6）全员效率高。但是，房柱式开采也存在以下缺点：1）资源回收率比较低。在美国，采用传统的房柱式开采一般回收率为50~60%左右。在某些条件下，采用全部回收方式（现代房柱式）开采，回收率可达70%以上。目前，回采率低的缺点正在被克服。澳大利亚采用汪格维里采煤方法，在采深300~500m条件下，回采率达到80%以上。我国神府东胜矿区采用汪格维里采煤方法取得了较高的回采率，一般可达75~85%。2）通风条件差。由于进回风巷道并列，通风构筑物多，漏风大。3．适用条件1）开采深度较浅，一般不宜超过300~500m；2）近水平薄及中厚煤层；顶板中等稳定以上；底板平整，不太软，且保持无积水。煤质较硬；瓦斯含量小；煤层不宜自燃；非近距离煤层组开采。4.2刀柱式长壁采煤方法的顶板控制长壁留煤柱支撑采矿方法，又称为刀柱式长壁采煤方法。这种方法在山西雀儿山煤矿和陕西神木县大砭窑煤矿采用[13]。目前，在我国陕北的神府和榆林地区采用还比较广泛。刀柱式长壁采煤方法，其工作面一般采用长壁式布置，工作面长度一般150m左右。当工作面推进到直接顶的极限垮落步距时停采，留煤柱控制顶板，所留煤柱称为控顶煤柱。根据顶板条件，开采条带推进距离一般8~14m，煤柱尺寸小于一次连续推进距离，一般在6~8m。依次类推，当工作面推进到煤柱支撑顶板的采区极限范围后，留20m左右的隔离煤柱，分割顶板垮落区，防止大面积垮落（图15）。隔离煤柱隔离煤柱控顶煤柱隔离煤柱控顶煤柱顶板塌陷区图隔离煤柱控顶煤柱顶板塌陷区刀柱式长壁工作面采煤方法的岩层控制，主要是确定安全开采跨度、控顶煤柱宽度，采留比和隔离煤柱宽度。1.安全开采跨度的确定刀柱式工作面开采条带的一次推进距离，即安全开采跨度，根据直接顶和老顶的稳定性确定，以在无支护状态下顶板不垮落为条件。h2h1xh2h1xL图16顶板岩层固支梁力学模型（1）确定作用于顶板岩层的载荷一般煤层顶板是由几层岩层组成，首先必须确定第一层岩层所受的载荷的大小。按照平面应变模型，取梁宽度b=1。当只考虑一层作用，等于单位长度自重，即： ——第一层岩层容重； ——第一层岩层厚度。当考虑两层同时作用时，两层顶板同时弯曲下沉，两层岩层的最大挠度相等。由材料力学可知，双固支点梁在均布载荷下，其某一点挠度为：梁的最大挠度发生于处，代入上式可得：当考虑两层共同作用时，看作一个梁时，其最大挠度为：若将第二层的作用考虑到第一层上时，第一层的最大挠度为：显然，这两种挠度是相等的，即。因此，有：可以求出：同理，按照层作用时，第一层岩梁上的载荷为：（4-31）根据顶板复合岩层的层数，按照（10-31）式分别计算考虑第n层作用时的载荷。当计算到时，则作用于第一岩层的载荷：（4-32）（2）安全开采跨度的确定根据固支梁力学模型，岩梁按照拉破坏准则进行计算，岩梁的极限跨距为：——岩层的抗拉强度。当采用刀柱式开采时，由于煤柱比较小，岩梁并不完全处于固支梁状态，按照固支梁计算的结果偏于危险。因此，为了保证工作空间顶板的完整性，刀柱式长壁工作面应当采用岩梁的安全跨距。可以考虑一个安全系数n，鉴于岩层大多属于脆性破坏，根据工程经验一般取。则，刀柱式长壁工作面安全开采跨度为：（4-33）2.控顶煤柱宽度的确定控顶煤柱的作用主要是作为临时支撑顶板和保持顶板合理的跨度。即以安全开采跨度为间隔距离合理地留设控顶煤柱（又称支撑煤柱），非永久性支护顶板。煤柱维护顶板的时间，一般为两个隔离煤柱之间的本采矿区采完为止。煤柱的宽度为在该采矿区服务期间的最小宽度，这样可以保障最佳的采留比。控顶煤柱的稳定性和尺寸计算是一个复杂的问题，可以通过理论进行计算，同时需要鉴戒工程经验和实验进行确定。煤柱宽度的确定与煤层厚度、煤层强度、顶板岩层压力有关。确定控顶煤柱宽度的步骤如下[14]：第一步，选择煤柱强度公式，计算煤柱强度；第二步，计算煤柱平均应力P；第三步，选择安全系数n，一般为1.2~1.5；第四步，按照确定煤柱宽度；第五步，验证回采率，根据工程经验调整。（1）计算煤柱强度大量的研究表明，煤柱的强度小于煤块强度。主要原因是，（1）煤块小试样内含缺陷少，不能代表大煤柱中宏观发育的大量节理、裂隙；（2）加工试样难以煤柱原有湿度。由于煤柱强度的尺寸形态效应，如何将实验室小试件强度换算成现场大试件的强度，便成为人们研究和关注的热点。这方面比较成熟的有赫斯特里（Hustrulid）的研究，指出现场立方体试件强度可以按照以下公式与实验室单向抗压强度进行换算：式中：——实验室标准试件单向抗压强度，MPa;——现场临界立方体试件强度，MPa;D——试件直径或立方体边长。现场的大试件强度仍然不能代表煤柱的强度，为此人们又提出了大量的煤柱计算公式，最常用的有以下几种：1）欧伯特—德沃/王（Obert—Dwvall/Wang）公式式中：——煤柱强度，MPa;——现场临界立方体试件强度，MPa;W，h——分别为煤柱的宽和高，m。该公式是基于硬岩提出的，适用于宽高比为1~8的煤柱。2）浩兰德（Holland）公式（4-34）式中参数意义同上。该公式适用于宽高比为2~8的煤柱。以上两种计算公式，第一种偏于安全。对于刀柱式工作面，建议采用浩兰德公式。（2）确定煤柱载荷煤柱应力分布变化的一般规律如图10-17所示，大体可以分为7个阶段：核区塑性区q核区塑性区q（a）采前均布载荷（b）采一侧支承压力分布（c）两侧采空“马鞍形”分布（d）“极限马鞍形”分布（e）“平台型形”应力分布（f）“拱形”应力分布图17煤柱应力分布动态演变过程（a）回采之前，煤层受上覆岩层均布载荷;（b）煤柱一侧采空，煤柱边缘出现小的塑性区，形成支承压力，支承压力峰值不大于煤柱的极限强度。（c）煤柱两侧采空，若煤柱具有足够的宽度和强度，保持稳定支撑状态，煤柱上的应力分布为“马鞍形”。煤柱两侧均有一定宽度的的塑性区，煤柱边界支撑能力为零，峰值应力不大于煤柱极限强度。（d）受周围其它条带采动影响，煤柱两侧塑性区扩展，煤柱核区应力上升但小于峰值应力，峰值应力达到煤柱极限强度，应力分布仍然为“马鞍形”，此时称为“极限马鞍形”分布。（e）随着充分采动程度的增加，煤柱两侧塑性区进一步扩大，核区中心应力达到煤柱极限强度，核区应力形成平台形分布。此时，如果核区中心应力稍有上升，煤柱将迅速失稳，故“平台形”应力分布是煤柱由稳定向失稳转过渡的标志。（f）煤柱开始屈服，两侧塑性区连通，煤柱失去核区，支撑能力迅速下降。煤柱核区中心应力小于原始煤柱极限强度，应力分布形态呈现“拱形”。（g）煤柱以蠕变状态继续破坏，支撑能力继续下降，核区应力小于原岩应力，拱形应力呈瘫软式下降（图17f），直至煤柱被压溃。对于控顶煤柱，由于煤柱宽度小，煤柱的应力分布应当为平台型比较合理。从控顶煤柱优化设计角度，可以采用煤柱“平台形”应力分布为临界条件，确定煤柱的载荷，本方法称为“平台载荷法”。假设煤柱四周的塑性区宽度相同，采区上覆岩层自重由采区煤柱承担，煤柱附加垂直应力分布符合体积载荷平衡原理。根据图10-18，有如下体积载荷平衡关系；式中：——煤柱塑性区的体积载荷，kg;——煤柱核区的体积载荷，kg;——由煤柱支撑的覆岩载荷，kg;为方便计算，令屈服区应力分布由边界零值向界面直线增长，则LWprprLWprprp覆岩重量综合考虑非充分采动条件下的覆岩自重通过顶板坚硬岩层的转移，可以考虑一个覆岩自重转移系数k（一般小于0.3），则有：（3）确定合理的煤柱宽度为了工程安全，可以令。联立上述三式，则控顶煤柱宽度的计算公式为：（4-35）式中：——覆岩平均容重，kg/m3;——平均采深，m;——条带开采宽度，m;——煤柱长度，m;——煤柱塑性区半径，m;——煤柱极限强度，MPa;——安全系数，可取1.2~1.5。对于刀柱式长壁工作面，由于>>，所以上式可以简化为：（4-36）煤柱塑性区半径可以按照以下公式计算：（4-37）式中：——煤柱高度，m;——开采影响因子，1.5~3.0，一般可取2.0;——塑性区与核区界面的侧压系数，一般取0.34;——煤层与顶底板接触面的粘聚力，一般强度弱者，MPa;—煤层与顶底板接触面的内摩擦角，一般取煤层参数，（°）;——煤柱极限强度，MPa。3．隔离煤柱的位置隔离煤柱的受力模型，如同顶板与底板之间，夹持着大煤柱和煤柱之间一定数量弹簧（煤柱）的支撑体系，如图19所示。图19隔离煤柱力学模型（1）隔离煤柱的间距隔离煤柱间距的确定是一个复杂的问题，一般以在刀柱式长壁工作面连续开采期间，控顶煤柱不失稳，顶板不发生大面积垮落为原则。鉴于力学模型的复杂性，隔离煤柱的设置应当采用物理相似模拟实验或计算机模拟，结合工程经验进行确定。对于浅埋煤层，根据实践经验隔离煤柱的间距大于充分采动距离，大约为1~2倍采深。隔离煤柱形成的顶板垮落隔离区，一般能够形成充分垮落，可以防止由于过度支撑顶板而引起的大范围顶板垮落灾害。（2）隔离煤柱的尺寸根据隔离煤柱的作用，煤柱应当具有长期的稳定性。因此，煤柱的载荷状态应当为“马鞍形”分布，避免出现“平台形”应力分布。如果说控顶煤柱属于“动态”应力状态，隔离煤柱则应当按照“静态”应力状态进行设计。静态应力状态指煤柱在一定时期内，承受不变的应力状态，要求煤柱在形成或使用的短时期内，达到静态稳定状态，并在整个使用期内保持这种稳定状态。静态煤柱的设计，主要考虑一个安全系数，一般在1.2~1.8之间。煤柱宽度可以按照下式确定：煤柱强度=安全系数×煤柱平均应力根据浅埋煤层工作面的实践经验，隔离煤柱的尺寸一般为2~4倍控顶煤柱宽度。4.2现代房柱式开采的矿压控制点全部回收式房柱式采煤方法由于回收率高，在国际上得到较快的发展。美国经过多年的不断改进，已经形成了以连续采煤机为中心的现代房柱式采煤方法。50年代末期，在美国房柱式采煤方法的基础上，澳大利亚和南非引进美国连续采煤机，结合具体条件试验成功了一种采煤方法。在澳大利亚，这种采煤方法是首先在汪格维里煤层试验成功的，因此称为“汪格维里”（Wongawilli）采煤方法。在南非，类似的方法首先在西格玛矿试验成功，称为“西格玛”采煤方法。近年来，以连续采煤机为核心的现代房柱式采煤方法在我国神府、东胜、黄陵等埋深不大的矿区得到推广应用，取得了月产上10万吨、回采率达到80%左右的良好效果。“汪格维里”和“西格玛”采煤方法的采区区段划分和区段内煤柱切割及回收方式与传统房柱式采煤方法不同，煤柱回收后，顶板类似长壁工作面一样充分冒落，使房柱回采避开支承压力峰值区。因此，这两种方法成为现代房柱式采煤方法的典型代表。下面重点介绍在我国应用较好的连续采煤机房柱式和汪格维里采煤方法及其岩层控制特点。房柱式采煤方法的矿压控制主要体现在以下几个方面：巷道或煤房的合理安全跨度；煤柱的应力分布规律；煤柱强度；煤柱与顶底板的相互作用关系；煤柱的合理几何形状；（6）巷道或煤房的合理支护方式。1．顶板、煤柱、底板间的相互作用关系当在层状沉积岩层中开掘巷道或煤房以后，根据梁或拱的理论，巷道或煤房上部一定范围内的顶板岩层由于失去支撑，在自重作用将发生离层。同时，该处将出现应力降低区，其上覆岩层载荷向巷道两侧的煤柱上转移。由于煤柱对顶板的反作用及煤柱将顶板载荷向底板传递，在工作面顶底板中将形成煤柱核心的主动应力增高区、顶底板的辐射状剪切应力区和煤柱边缘塑性区的被动应力区，如图20所示。煤层顶底板在剪应力的作用下，向可能沿与层面成一定角度的滑移面向巷道空间产生膨胀变形。同时，顶底板的这种变形运动将产生一定的横向应力，加剧煤柱的破坏。此外，伴随着顶板的离层下沉，底板也将向巷道空间内隆起。在房柱式开采过程中，将构成“顶板——煤柱——底板”顶板控制力学体系，底板在其中的作用比较重要，尤其是底板强度较低时，对整个力学体系的平衡和稳定具有决定性作用。大量的研究表明，房柱式开采通过煤柱向底板传递载荷，会导致煤柱基础产生不同程度的下沉。煤柱间相对沉降差值的大小与煤柱的绝对沉降值相比，对于顶板破坏的影响更加明显。煤柱的不均匀沉降将引起部分煤柱首先卸载，其载荷发生转移，导致其它煤柱载荷升高而逐渐破坏，最终导致顶板失稳。因此，设计煤柱时要保证煤柱的形状、尺寸和分布的规则性。煤柱下方底板的应力分布如前文所述，可以参照弹性力学的有关方法计算。其应力分布形成以煤柱中心为最大应力区，逐渐呈放射状递减的应力泡式形态。应力降低区应力降低区应力增高区辐射状应力区被动应力区图20顶板、煤柱、底板的应力区2.房柱式开采的支承压力分布及其影响在煤层中开掘巷道或煤房后，顶板压力将重新分布，从而在留设的煤柱上产生支承压力。当回采煤柱时，回采空间上方的压力拱与煤柱中的压力叠加，在煤柱一定深度位置形成支承压力峰值区。支承压力增量随着开采范围和煤柱开采比的增加而增大。大量的实践表明，房柱式工作面开采时，支承压力的峰值可达原岩应力的1.5~5倍，峰值线位于煤柱线前方的3~10m范围内。生产实践证明，支承压力对完全回收房柱式工作面开采有较大影响，当垂深大于300m时，由于地压增大而使回采率明显下降。所以，房柱式巷道布置和煤柱回采顺序必须符合