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沿空掘巷小煤柱合理留设研究 胡光伟 （中煤一建公司 山不拉煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 010499） ［摘 要］ 山不拉煤矿 3202 工作面材料巷采用沿空掘进方式， 为得到最优小煤柱尺寸， 采用理 论计算和数值模拟相结合的方法， 综合分析确定小煤柱最优合理尺寸为 5m。 工业性试验及现场矿压 观测表明， 小煤柱留设 5m 宽度满足需求， 保证了巷道安全掘进和回采的同时最大限度提高煤炭资源 的采出率。 此次研究实践成果为山不拉煤矿综放沿空掘巷小煤柱尺寸的合理留设提供了依据， 并为类 似条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的留设宽度提供了借鉴。 ［关键词］ 沿空掘巷； 小煤柱； 理论计算； 数值模拟 ［中图分类号］ TD822. 3 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1006-6225 （2016） 04-0078-03 Small Coal Pillar Layout of Gob-side Entry Driving ［收稿日期］ 2015-12-28［DOI］ 10. 13532/ j. cnki. cn11-3677/ td. 2016. 04. 020 ［作者简介］ 胡光伟 （1978-）， 男， 江苏铜山人， 高级工程师， 中煤第一建设有限公司山不拉煤矿总工程师。 ［引用格式］ 胡光伟 . 沿空掘巷小煤柱合理留设研究 ［J］ . 煤矿开采， 2016， 21 （4） 78-80， 64. 近年来， 随着矿井产量和开采强度的加大， 对 煤炭采出率和回采巷道的支护要求也越来越高， 传 统的留设较宽区段煤柱护巷的方式已不能满足生产 需求， 沿空掘巷留设小煤柱护巷， 有提高煤炭资源 的采出率和巷道易维护的优点， 此项技术近年在我 国各大矿区逐渐推广应用， 取得良好效果［1］。 沿 空掘巷小煤柱尺寸的留设是沿空掘巷围岩控制的关 键， 若留设尺寸过大， 煤柱及巷道将长期处于侧向 支承压力升高区， 不利于煤柱及巷道的稳定； 若留 设尺寸过小则煤柱煤体破碎， 不能有效地密闭采空 区。 因此， 小煤柱的留设应遵循以下原则 巷道位 于应力降低区； 有利于巷道的稳定； 有利于锚杆支 护； 在满足以上原则的条件下尽量减少煤柱宽 度［2］。 针对山不拉煤矿接续工作面情况， 采用模拟计 算与理论计算相结合的方法， 研究确定沿空掘巷留 设小煤柱尺寸。 1 工程背景 山不拉煤矿 3202 综采工作面位于井田西北部， 工作面大部位于 2-2 煤房采区下部。 工作面标高- 329. 1 ～ -380. 8m。 南为 3203 采空区， 北至 3-2 煤 回收面， 东与井筒保护煤柱相邻。 所采煤层为 3 号 煤， 煤质较硬， f 2 ～ 3， 内生裂隙发育， 阶梯状 断口。 煤层厚度最大 1. 80m， 最小 1. 65m， 平均 1. 70m。 煤层倾角 1 ～ 3， 煤层直接顶为 15m 砂质 泥岩， 基本顶为 24m 细砂岩， 直接底为 24m 砂质 泥岩。 中部含煤段地质柱状图如图 1 所示， 各岩层 物理力学参数见表 1， 工作面采用走向长壁后退式 综合机械化采煤。 图 1 地质柱状 表 1 岩层物理力学参数 岩层 容重/ （kNm -3 ） 体积模 量/ GPa 剪切模 量/ GPa 内摩擦 角/ （） 黏聚 力/ MPa 细砂岩26. 06. 54. 5323. 6 砂质泥岩26. 67. 85. 7354. 2 3-2 煤14. 32. 81. 5241. 3 砂质泥岩26. 17. 75. 6344. 0 2 煤柱宽度理论计算 通过公式对小煤柱宽度进行理论计算， 以初步 87 第 21 卷 第 4 期 （总第 131 期） 2016 年 8 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 4 （Series No. 131） August 2016 确定小煤柱最小宽度值。 采用极限平衡理论公式计 算， 合理煤柱的最小宽度为［3］ B b1 b 2 b 3 （1） b1 mA 3tanφ0ln kγH C0 tanφ0 C0 tanφ0 PX A （2） 式中， B 为合理的煤柱最小宽度， m； b1为上区段工 作面开采影响下， 沿空掘巷小煤柱中破碎区宽度， 根据现场实测情况， 取 2. 2m； b2为巷道小煤柱帮 锚杆有效长度， 根据实际锚杆和药卷使用情况， 取 1. 2 m； b3为考虑煤层厚度而增加的煤柱稳定性系 数， b30. 2 （b1 b 2）； m 为上下区段平巷高度， m； A 为侧压系数， A μ/ （1-μ）； μ 为泊松比， μ 0. 33； φ 0为煤体的内摩擦角， （）； C0 为煤体的黏 聚力， MPa； k 为应力集中系数， k 3. 0； γ 为岩层 平均容重， kN/ m3； H 为巷道埋藏深度， m； PX为 对煤帮的支护阻力， kN。 通过理论计算得到小煤柱宽度， 可以用于检验 校核其他分析计算结果。 考虑到 3202 工作面材料 道实际地质条件， 通过式 （1） 计算， 得知合理小 煤柱最小宽度理论值 B 为 4. 7m。 3 数值模拟分析 采用 FLAC3D数值模拟软件对煤柱宽度合理留 设进行数值计算， 根据实际条件设定数值模型的边 界条件为 模型侧面限制其水平位移， 底部固定， 模型 上 表 面 设 定 为 应 力 边 界， 施 加 的 荷 载 为 10. 0MPa， 模拟上覆岩体的自重应力； 水平方向的 侧压系数为 1. 2， 荷载大小为 12. 0MPa， 模型设定 为 Mohr-Coulomb 模型［4-5］。 数值模拟主要研究在不同宽度情况下， 煤柱内 的竖向应力场和水平位移场的分布情况。 煤柱的宽 度分别取 3m， 4m， 5m， 6m， 8m， 10m。 3. 1 垂直应力分布 不同煤柱宽度条件下巷道围岩垂直应力场分布 情况见图 2。 取煤柱中间位置的中部层位研究煤柱内应力场 图 2 小煤柱围岩垂直应力场 分布情况。 从结果中可以看出， 竖向应力呈现先减 小后增大的趋势， 煤柱在 4 ～ 6m 宽度范围内的竖 向应力值最小。 大于 6m 以后应力值随煤柱宽度的 增加急剧增加， 这是因为大于 6m 以后煤柱处于侧 向支承应力集中区的原因。 3. 2 水平位移数值模拟结果 不同煤柱宽度条件下巷道围岩水平位移场分布 情况见图 3。 同分析垂直应力场分布情况一样， 仍取煤柱高 度一半的中部层位研究煤柱内水平位移场分布特 征， 由模拟结果可以看出 煤柱宽度从 3m 到 10m 的变化过程中， 水平位移呈现先减小后增大的变化 趋势， 当小煤柱宽度为 3m 时， 煤柱中部位移急剧 变化， 没有零位移区域， 煤柱稳定性极差； 当小煤 柱宽度为 4 ～ 6m 时， 煤柱中部位移比较稳定， 有 一定的零位移区域； 当煤柱大于 8m 后， 虽然中部 稳定部分较大， 但围岩向巷道内的位移量大于 4 ～ 6m 煤柱时的位移量。 97 胡光伟 沿空掘巷小煤柱合理留设研究2016 年第 4 期 图 3 小煤柱围岩水平位移场 3. 3 模拟结果分析 由上述垂直应力场和水平位移场的分布情况， 可以看出煤柱宽度在 4 ～ 6m 范围内时， 煤柱内的 最大垂直应力和水平位移均较小， 煤柱整体稳定性 较好， 而且煤柱中发生塑性破坏的区域也较小， 这 样既有利于煤柱本身的稳定性， 又有利于巷道围岩 的锚杆索支护。 所以综合考虑安全和经济两方面因 素， 煤柱宽度取 5m 为宜。 4 矿压观测分析 为验证 3202 工作面材料巷 5m 煤柱的合理性， 在煤巷中设立矿压观测站， 监测巷道断面变形和锚 杆受力情况， 从工作面回采开始观测， 直至工作面 推进距测站 10m 位置停止观测， 结果见图 4。 图 4 矿压观测结果 随着工作面回采不断推进， 距离测站约 50m 超前支撑压力开始显现， 巷道逐渐产生较大变形， 两帮变形表现尤为明显， 两帮变形又以煤柱侧内移 变形突出， 两帮最大移进量 1260mm， 说明两帮变 形主要来自煤柱一侧的变形。 随巷道围岩变形应力 调整， 锚杆受力增大， 顶板锚杆受力比两帮大， 受 超前压力影响， 锚杆受力上升显著， 顶锚杆测力计 读数最大达14MPa； 两帮锚杆测力计读数相对稳定 说明对应锚杆受力上升较小甚至出现回落， 反映出 两帮锚杆支护部分失效。 从整个矿压监测结果来 看， 3202 工作面材料巷采用 5m 煤柱巷道断面变形 及锚杆受力均符合预期， 未出现异常失稳破坏情 况， 即在当前支护条件下采用 5m 煤柱宽度能够满 足巷道安全生产的要求。 5 结 论 （1） 根据山不拉矿 3202 工作面开采条件和围 岩物理力学参数， 理论计算确定小煤柱宽度为 4. 7m。 （2） 数值计算分析了不同煤柱宽度情况下巷 道围岩的垂直应力和水平位移情况， 确定煤柱宽度 4 ～6m 最优， 结合理论计算结果综合确定煤柱宽度 为 5m。 （3） 根据现场工业性实践及矿压观测结果， 确定 3202 材料巷沿空掘巷留设 5m 煤柱能够满足 巷道安全生产的要求。 ［参考文献］ ［1］ 侯朝炯， 郭励生， 勾攀峰， 等 . 煤巷锚杆支护 ［M］ . 徐州 中国矿业大学出版社， 1999.（下转 64 页） 08 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期 εi σ - σs ηB ti σ EB σ EK 1 - exp（ - EKti ηK ） ■ ■ ■ ■ （15） Q（EK， ηK， ηB） Σ n i 1 εi - ε i （） 2 若使 Q 式取得最小值， 需满足 ∂ Q ∂ EK 0； ∂ Q ∂ ηK 0； ∂ Q ∂ ηB 0 根据给定的 n 对试验数据 （ε， t） ， 假定一组 流变参数 （EK， ηK， ηB） 的初始近似值 （EK0， ηK0， ηB0） ， （2） 和 （3） 式对各个参数求偏导得 （ΔEK， ΔηK， ΔηB） ， 从而求得新的一组 （EK1， ηK1， ηB1） ， 然后进行新一轮的迭代， 反复计算， 直到满足精度。 将所求的流变参数及损伤变量代入 （11）， （12） 式， 求出合理的支护时间。 3 应用实例 芦岭煤矿某巷道埋深 Z200m， 巷道半径 R0 2. 0 m， 围岩容重 γd25kN/ m3， 围岩为强风化粉 砂岩， 围岩应力 P γdZ 5. 0MPa 。 根据设计方 案， 初次开挖后为 “锚网喷” 支护， 几个月后发 现围岩有明显的破坏和变形， 且具有明显的流变特 性。 通过现场观测， 围岩稳定蠕变速率 μ′r（t） 0. 019mm/ h， 通过最小二乘法及实验数据得到围岩 的流 变 参 数， EB 15GPa， EK 26GPa， ηk 230GPa/ h， ηB720GPa/ h。 因为围岩已经表现出时间损伤所以代入式 （13） 求得 ω∞ 0. 4， 将所得的参数代入 （11）， （12） 式求得 t354. 6h， 约 15d， 即二次支护合理 时间为初次支护后 15d 左右进行。 实践表明， 巷道未发生明显变形破坏， 支护时 间合理。 4 总 结 （1） 软岩巷道围岩具有明显的流变时效特性， 主要表现为蠕变时效特性， 蠕变破坏主要是围岩内 部新裂隙的产生和连续扩展的结果。 围岩具有一定 的长期强度， 当应力水平低于其长期强度时， 围岩 表现为蠕变效应； 当应力水平高于其长期强度时， 围岩破坏， 表现出明显的变形破坏损伤。 （2） 二次合理支护时间对应于平缓波动蠕变 与加速蠕变的交界点， 为了确保围岩的稳定性， 围 岩强度应不低于其长期强度。 （3） 本文采用圆形巷道及西原模型， 推导出 围岩变形速率方程， 通过蠕变试验方法及位移反分 析法求得蠕变参数， 从而确定软岩巷道二次支护的 合理时间， 对于地下支护理论设计具有一定的指导 意义。 ［参考文献］ ［1］ 方新秋， 何 杰， 何加省 . 深部高应力软岩动压巷道加固技 术研究 ［J］ . 岩土力学， 2009， 30 （6） 1693-1698. ［2］ 王祥秋， 杨林德， 高文华 . 软岩围岩蠕变损伤机理及合理支 护时间的反演分析 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2004， 23 （5） 793-796. ［3］ 何满潮， 景海河， 孙晓明， 等 . 软岩工程力学 ［M］ . 北京 科学出版社， 2002. ［4］ 范秋雁， 阳克青， 王渭明 . 泥质软岩蠕变机制研究 ［J］ . 岩 石力学与工程学报， 2010， 29 （8） 1555-1561. ［5］ 彭苏萍， 王希良， 刘咸卫， 等 . 三软煤层巷道围岩流变特性 试验研究 ［J］ . 煤炭学报， 2001， 26 （2） 149-152. ［6］ 刘 高， 聂德新， 韩文峰 . 高应力软岩巷道围岩变形破坏研 究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2000， 19 （6） 26-30. ［7］ 华心祝， 吕凡任， 谢广祥 . 锚注软岩巷道流变研究 ［J］ . 岩 石力学与工程学报， 2003， 22 （2） 297-303. ［8］ 付 强， 李晓云 . 软岩巷道支护理论研究与发展 ［J］ . 矿业 安全与环保， 2007， 34 （2） 70-72. ［9］ 孙 钧 . 岩土材料流变及其工程应用 ［M］ . 北京 中国建筑 工业出版社， 1999. ［10］ 余寿文， 冯西桥 . 损伤力学 ［M］ . 北京 清华大学出版社， 1997. ［11］ 卢红标， 钱七虎， 许宏发 . 土层灌浆锚杆的蠕变损伤特性研 究 ［J］ . 岩土工程学报， 2002， 24 （1） 61-63. ［12］ 杨林德， 冯紫良， 朱合华， 等 . 岩土工程问题的反演理论与 工程实践 ［M］ . 北京 科学出版社， 1999. ［责任编辑 姜鹏飞］ （上接 80 页） ［2］ 于 洋， 柏建彪， 陈 科， 等 . 综采工作面沿空掘巷窄煤柱 合理宽度设计及其应用 ［J］ . 煤炭工程， 2010 （7） 6-9. ［3］ 李学华， 姚强岭， 丁效雷 . 窄煤柱沿空掘巷围岩稳定原理与 技术 ［J］ . 煤矿支护， 2008 （2） 1-9. ［4］ 张 辉 . 近距离煤层采区下回采巷道位置优化与控制 ［J］ . 河南理工大学学报， 2012， 29 （2） 157-161. ［5］ 张俊云， 柴 敬 . 沿空留巷研究中若干问题分析 ［J］ . 矿山 压力与顶板管理， 2000 （1） 38-39. ［6］ 王 军 . 山不拉 3202 综采工作面合理煤柱留设研究 ［J］ . 煤 炭科技， 2013 （3） 14-15， 18. ［7］ 苏海龙 . 窄煤柱护巷合理宽度探讨 ［J］ . 矿山机械， 2012， 40 （8） 19-24. ［8］ 陈淼明， 王 永， 陈 志， 等 . 复合顶板窄煤柱沿空掘巷技 术探讨 ［J］ . 山西煤炭， 2011， 31 （6） 22-24. ［9］ 刘 海， 冯 涛， 余伟健， 等 . 沿空巷道小煤柱留设及其支 护技术研究 ［J］. 采矿技术， 2014， 14 （6） 13-17. ［10］ 陈昌云， 郑西贵， 于宪阳， 等 . 厚层砂岩顶板小煤柱沿空掘 巷围岩变形规律研究 ［J］ . 煤矿开采， 2011， 16 （1） 7- 10， 63. ［责任编辑 李 青］ 46 总第 131 期煤 矿 开 采2016 年第 4 期