杭来湾煤矿工作面区段煤柱合理尺寸研究.pdf

section, and the widths of coal pillar plastic zones and stress distribution surrounding rocks are analyzed during the tunneling of different width sections and the mining of both working faces Displacement and support pressure distribution characteristics determine the reasonable optimized width of the coal pillar. It is concluded that when the coal pillar is reduced to 16m, there is still a certain elastic area inside the coal pillar. The simulation results are consistent with the theoretical calculation results;The borehole stress gauge, optical borescope, and “cross-point ” were used to verify the stability of the coal pillar in the 16m section. The results show that the working areas leading influence range is approximately 40-50m, regardless of the area. The section of coal pillar is affected by mining on one side or mining on both sides. The middle part of the coal pillar still has an elastic zone of over 5m, and the convergence of the roadway is in a controllable range. During the production process, the roadway has no gangs or roofs. The bottom plate is sinking and bottoming. The research results of this paper not only have guiding significance for the optimization of coal pillars in the follow-up working face section of hanglaiwan coal mine, but also provide a basis for the reasonable optimization of coal pillar width and stability analysis in the large mining height working face section. Key word Section coal pillar; coal pillar elastoplastic zone;stress distributionlaw; coal pillar stability. Research type Application Research 目录 I 目录 1 绪论1 1.1 研究背景和意义 1 1.1.1 研究背景1 1.1.2 选题意义2 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 煤柱留设宽度及强度的研究 2 1.2.2 煤柱稳定性研究5 1.2.3 工作面覆岩活动规律研究 7 1.3 研究内容7 1.4 研究方法及技术路线8 1.4.1 研究方法8 1.4.2 技术路线8 2 杭来湾煤矿煤岩力学特性分析10 2.1 矿井概况10 2.1.1 杭来湾煤矿概况 10 2.1.2 煤层及构造赋存特性 11 2.1.3 巷道支护现状及采煤方法 12 2.1.4 水文地质概况 14 2.2 实验目的及内容15 2.3 煤岩试件制作15 2.4 实验测试及结果分析16 2.4.1 煤岩体密度测试 16 2.4.2 煤岩体抗压强度试验 17 2.4.3 煤岩体抗拉强度试验 18 2.4.4 煤岩体抗剪强度试验 19 2.5 本章小结22 3 区段煤柱稳定性分析及理论宽度计算23 3.1 区段煤柱应力分布规律 23 3.2 区段煤柱变形特征及其稳定性分析24 3.3 基于 SMP 准则下的区段煤柱宽度理论计算25 3.3.1 平面应变下的 SMP 准则 25 3.3.2 采空区侧塑性区宽度计算 26 目录 II 3.3.3 巷道侧塑性区宽度计算 27 3.3.4 区段煤柱中弹性区宽度计算29 3.3.5 区段煤柱合理宽度的确定 29 3.4 本章小结30 4 综采工作面不同区段煤柱宽度数值模拟31 4.1 FLAC3D计算程序简介31 4.2 区段煤柱的数值计算方案及模型构建31 4.3 顺槽开挖过程中区段煤柱数值模拟分析32 4.3.1 基于塑性区范围大小的区段煤柱合理宽度分析32 4.3.2 基于应力分布的区段煤柱合理宽度分析33 4.3.3 基于围岩位移量的区段煤柱合理宽度分析35 4.4 一侧工作面回采时区段煤柱数值模拟分析36 4.4.1 基于塑性区大小的区段煤柱宽度分析36 4.4.2 基于应力分布的区段煤柱合理宽度分析37 4.4.3 基于围岩位移量的区段煤柱合理宽度分析40 4.4.4 区段煤柱支承压力分布规律分析40 4.5 两侧工作面回采时区段煤柱数值模拟分析41 4.5.1 基于塑性区大小的区段煤柱宽度分析41 4.5.2 基于应力分布的区段煤柱宽度分析42 4.5.3 基于围岩位移量的区段煤柱合理宽度分析45 4.5.4 区段煤柱支承压力分布规律分析45 4.6 本章小结46 5 综采工作面区段煤柱稳定性现场监测48 5.1 区段煤柱应力监测48 5.1.1 钻孔应力计简介 48 5.1.2 钻孔应力监测方案 48 5.1.3 钻孔应力计监测结果分析49 5.2 区段煤柱松动范围观测53 5.2.1 钻孔窥视仪简介 53 5.2.2 区段煤柱松动范围分析 53 5.3 区段煤柱所在巷道变形量监测56 5.3.1 测点布置方案 56 5.3.2 巷道变形监测结果分析 57 5.4 本章小结58 目录 III 6 结论 60 致谢 61 参考文献 62 附录 67 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 1.1.1 研究背景 煤炭作为不可再生资源，其高效开采及合理利用，在我国国民经济建设中具有重要 意义。陕北的榆神府煤田是我国目前探明最大的优质煤田，其煤田具有地质条件简单， 煤层厚、瓦斯含量低、含硫量少、发热量高等优点。然而，近年来随着矿井机械化程度 的提高，大采高工作面不断得到普及，矿井矿压显现愈发剧烈[1]。区段煤柱作为保护巷 道、隔绝采空区有害气体及矿井水的有效支撑体，一方面，区段煤柱留设过大，易造成 煤炭资源浪费，降低了煤炭资源采出率，有时还使巷道处于高应力影响区，诱发严重变 形破坏[2]；另一方面，区段煤柱留设过窄，可能造成应力叠加，叠加后的应力远远高于 两条巷道原来的支承压力，掘进过程中巷道极易发生变形破坏，引起采空区有害气体及 水发生外泄，对矿井生产带来危害[3]。因此，从节约煤炭资源及保障矿井安全生产的角 度出发，加深对区段煤柱留设尺寸及其稳定性的相关研究，对保障矿井安全生产，提高 煤炭回采率有着现实性意义[4-5]。 虽然过去很多专家学者对煤柱方面研究颇多，但不同矿井在地质条件及采煤工艺等 诸多方面存在很大差异。 杭来湾煤矿综采工作面之前所留设的区段煤柱宽度为 2025m， 综采工作面回采率一直处于在 90左右，而相邻类似条件矿井在对原有宽煤柱优化后， 工作面回采率能够达到 94左右；此外，工作面回采过程中煤柱采空区侧上方顶板经常 处于悬空状态[6]，且处于侧向支撑压力升高区内，回风顺槽经常出现严重片帮及网兜现 象，要经过反复修复及补强支护才能满足生产的需要；最关键的是，杭来湾煤矿水文地 质类型为复杂型，当煤柱进入采空区后，在煤柱的支撑作用下，上覆岩层部分导水裂隙 带很难闭合密实，它将成为采空区上覆砂岩裂隙含水层的渗流的通道，长此以往，采空 区长期处于高水位， 不仅加大了排水费用， 而且给矿井带来了严重的水灾隐患[7-8]。 因此， 急需对杭来湾煤矿工作面区段煤柱合理尺寸展开研究。 陕西有色榆林煤业有限公司杭来湾煤矿处于榆神矿区核心地带，其主采 3 号煤具有 埋藏浅，基岩厚，松散载荷少等特点，属于典型的“近浅埋煤层”[9]。杭来湾煤矿已回 采 7 个工作面，留设的区段煤柱宽度均大于 20m，随着区段煤柱一侧进入采空区，区段 煤柱将受到上区段回采影响及下区段回采的双重扰动；另外，杭来湾煤矿作为陕西有色 集团在陕北地区的首个采煤矿井，该矿首采盘区采用分层大采高综合机械化开采，设计 开采高度 4.5m。煤层普氏硬度系数为 2，由于缺少煤炭生产经验，所以杭来湾煤矿未对 西安科技大学工程硕士学位论文 2 区段煤柱的合理留设及稳定性进行系统研究，区段煤柱留设尺寸只能参考相邻类似条件 下的矿井成功经验。因此，通过对煤柱的合理优化及其稳定性分析，对提高矿井煤炭回 采率及安全生产具有重要意义。 采空区水位采空区水位 煤柱支撑区煤柱支撑区 煤柱支撑区煤柱支撑区 含水层含水层 图 1.1 工作面上覆岩层结构 1.1.2 选题意义 综采工作面区段煤柱作为工作面安全通道的保护煤柱，既是本工作面辅助运输巷道 的组成部分，又是下一工作面回风巷道的组成部分，其留设宽度的合理性，既关系着工 作面顺槽的安全稳定，又影响着矿井回采率，是制约煤矿安全高效生产的难题之一。区 段煤柱留设过大（通常大于 20m），既造成煤炭资源浪费，又使得区段煤柱上覆顶板在 支撑作用下，靠采空区侧上方经常大面积悬顶，部分导水裂隙带也因此不能有效闭合； 区段煤柱留设过小，煤柱不能起到支撑载荷的作用，工作面回采过程中顺槽容易发生变 形破坏， 引起采空区水及有害气体发生外泄。 此外， 矿井各煤层顶板基岩裂隙水较发育， 采空区垮落后会使部分导水裂隙带与上覆第四系潜水沟通，综采工作面回采后，地下水 顺着未闭合的导水通道流入采空区，使得采空区积水经常高于警戒水位。论文研究成果 不仅对杭来湾煤矿安全生产具有现实意义，同时为后续工作面区段煤柱合理留设具有指 导意义。 1.2 国内外研究现状 区段煤柱主要作用是隔绝采空区有毒有害气体及维护巷道，其尺寸大小和稳定性不 仅影响煤炭资源的采出率， 还将影响到工作面上覆岩层支承压力分布情况及巷道围岩稳 定性。 1.2.1 煤柱留设宽度及强度的研究 从 20 世纪初期开始，国外许多专家学者就开始对于煤柱展开研究，起始阶段各学 者都是基于煤岩小试样单轴压缩试验的煤柱强度预测研究。 1 绪论 3 20 世纪初 Bunting[10]为了确定煤试样尺寸及形状效应，采用相关力学试验，对不同 形状尺寸下的煤体进行测试，第一个煤柱强度公式就是此时提出的，具体如下所示 /30. 070. 0hw ls （1.1） 式中σs煤柱体强度，MPa； σl试件强度，MPa； w煤柱宽度，m； h煤柱高度，m。 20 世纪初，Danies 和 Moore[11]基于岩石力学试验，对煤岩试块强度进行了测试，提 出煤岩块的尺寸大小与其强度关系。 1972 年，WilsonAH[12-13]通过对煤体三向强度特性进行分析得到计算预留煤柱宽度 的公式。 La baL H Hb 1 p       （1.3） 式中a煤柱宽度，m； b采出宽度，m； p煤柱平均载荷，MPa； L煤柱长度，m； γ覆岩平均容重，kN/m3； H平均开采深度，m； ρ采区采出率，。 21 世纪早期，Ashok Jaiswal;B.K. Shrivastva 等人[14-15]通过使用三维有限元模型，得 出了用于估计印度煤矿煤柱强度和破坏模量的统计表达式。对于宽高比（w/h）小于 5 的煤柱，煤柱强度几乎线性依赖于 w/h，而非线性则依赖于煤样品的单轴抗压强度。煤 柱的破坏后模量与 w/h 非线性相关，而与单轴抗压强度无关。 2019 年，Arka Jyoti Das 等人[16]通过研究倾斜煤柱沿倾角和走向的不对称应力分布 和破坏特征，得出方形、矩形和超长柱的强度公式，推导出的强度公式可用于评估近水 平和倾斜煤柱的稳定和失效情况。根据推导的强度公式，得出倾斜的煤柱强度随煤柱倾 角的增加而减小。 吴立新， 王金庄[17-18]运用库仑准则导出了煤柱屈服区宽度的计算公式， 在此基础上， 依据“平台载荷法”原则推导了条带煤柱宽度的计算公式，对煤柱高度及煤柱极限强度等 多个方面对于煤柱宽度的影响规律进行了重点分析研究，认为煤柱的极限应力主要与自 身极限强度有关。 程国明，黄侃等[19-20]对特厚煤层条件下采用螺旋钻机开采细长窄煤柱的破坏过程进 行了数值模拟。并从应力场演化角度分析了煤柱破坏过程的应力分布特征及破坏机理。 西安科技大学工程硕士学位论文 4 模拟结果对煤柱在回采过程中变形的出现、破坏的发展直至塑性区相互贯通的全过程进 行了再次验证。 奚家米，杨更社等[21]通过总结、分析经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测 4 种确定煤柱宽度方法优缺点，提出了采用现场实测和数值模拟结合的方法来确定保留 煤柱宽度。 刘洋等[22]为解决相邻工作面防水煤岩柱尺寸留设过大，浪费煤炭资源这个问题，在 分析导致防水煤柱留设过大的原因的基础上，引入煤柱屈服区宽度计算公式，提出了煤 柱和岩柱先分开计算、再整体考虑的思路，纠正了将岩移影响带宽度代替屈服区宽度的 设计方法，缩减了所需留设煤柱的宽度。 索永录等[23]通过对煤体极限强度和煤柱屈服区宽度模型的分析， 推导出条带煤柱合 理宽度留设的计算公式， 确定出了在煤层地质条件参数 M、 H 和煤岩物理力学参数γ、 φ、 c、μ一定的条件下，条带采宽 D 是影响条带煤柱合理宽度留设的主要且可控参数，并运 用于工程实践，取得了较好的效果。         sin1 cossin 2 tan sin1 sin2tan 1ln sin1 tan2 2sin1 2                          H HD cc HCOSH md B （1.4） 式中B煤柱的宽度，m； m煤柱高度，m d开采扰动因子，d1.13.0； D采区宽度，m； γ上履岩层平均体积力，MPa； H开采深度，m； φ煤层顶板接触面的粘聚力，MPa； 朱建明等[24]基于 SMP 破坏准则，分析了煤柱在三维应力状态下的应力问题,推导了 煤柱极限强度的计算公式。并且同 Mohr-Coulomb、A.H.Wilson 准则下煤柱极限强度进 行对比，结果表明基于黏性材料的 SMP 准则下的煤柱极限强度计算符合实际，对于分 析煤柱的稳定性具有一定的现实指导意义。 屠世浩等[25]根据浅埋薄基岩煤层顶板几乎沿采空区边缘垂直断裂， 地表下沉速度快， 采空区迅速压实等特点，以温家梁煤矿 3-2煤层为背景，得出了沿空掘巷合理护巷煤柱 宽度为 5ｍ；滞后回采工作面 50ｍ左右，采空区基本处于稳定状态。 赵兵朝等[26]通过对采动状态下，煤体中断层活化进行了系统分析，再结合对采动地 表移动变形的影响因素展开，确定了受断层影响下的建（构）筑物保护煤柱留设方法。 结果表明采动断层活化不是受单一因素影响，而是受多种因素共同作用，在留设保护 1 绪论 5 煤柱时，应当充分考虑这些因素。 余学义， 赵兵朝等[27-29]以亭南矿大采高工作面巷间 30m 煤柱为研究背景， 通过采用 现场监测、数值模拟、相似模拟等手段对巷间煤柱受双巷掘进 2 次采动过程中的破坏规 律进行了系统的研究， 得出区段大煤柱、 窄煤柱两种条件下对覆岩运移的影响规律； 一、 二次采动后靠近采空区侧煤柱的破坏区域宽度、低应力区域宽度及煤柱应力分布特征， 确定了煤柱宽度合理范围。 祁方坤，周跃进等[30]借助护巷煤柱的极限平衡理论，确定了护巷窄煤柱合理留设宽 度的上、下限值解析表达式；采用数值模拟对合理取值范围内的护巷窄煤柱留设宽度进 行对比分析，最终确定窄煤柱最优留设宽度。 崔楠等[31]针对王庄煤矿孤岛面特殊地质条件，建立模型，讨论了煤柱宽度对巷道表 面位移等参量的影响规律，发现煤柱宽度较窄时，煤柱中容易形成两部分楔形区域，使 得煤柱损伤破坏严重，随着煤柱宽度增大，可释放弹性应变能密度增加，耗散应变能密 度减小。 伍永平等[32]通过建立区段间围岩失稳模型， 对煤柱的应力分布规律和破坏机理展开 研究，对确定区段煤柱的合理宽度奠定了理论依据。结果表明大倾角煤层区段围岩联 通运移可总结为“挤压-弯垮”与“压垮-倾倒”两种模式。以“双拱连续梁”形式存在时，区 段煤柱尺寸决定了“压垮-倾倒”联通运移模式的矿压显现特征及变形破坏后的采空区三 维空间形态。因而大范围岩层控制技术的关键在于区段煤柱的设计。 王方田等[33]考虑了神东煤田露天矿的地质条件，以防止上覆岩崩事故的发生。利用 Mark-Bieniawski 公式和 FLAC3D数值模拟分析了道路外部和道路下方合理的煤柱宽度， 分别确定为 1.7m 和 1.3m。现场试验表明，高壁残煤资源的采收率超过 67％。因此，该 露天煤矿剩余煤炭资源可实现安全、高效、高回采率。 1.2.2 煤柱稳定性研究 目前，国内外专家、学者提出了很多关于保护煤柱留设的设计方法与理念。 1966 年 Salamon[34]对 125 个煤柱破坏情况进行调研，给出房式煤柱强度经验公式。 Maleki[35]通过对五种不同区段煤柱布置方式进行了对比，研究认为双巷让压煤柱在 双层煤开采中最稳定，单巷大煤柱在单一煤层开采中最稳定。 1985 年 Khair A.W.和 Peng.S.S[36]通过采矿方法、煤柱失稳经过、地形和地质条件、 煤层及其顶底板岩层力学性质，研究了西弗吉尼亚南部某煤矿煤柱失稳的原因和机制。 1991 年 Mokgokong P.S.和 Peng.S.S[37]认真讨论了某煤矿煤柱失稳的原因和机制， 得 出为了避免以后煤柱再失稳，需要认真研究煤地质学和地层不稳。 1998 年，谢和平[38-39]在研究了条带煤柱稳定性理论和分析方法的基础上，认为煤柱 的破坏失稳是典型的非线性过程。 西安科技大学工程硕士学位论文 6 赵国旭， 谢和平等[40]利用理论研究估算出三维应力状态下煤柱塑性区宽度的理论公 式。 提出从提高稳定性最差的煤柱来改善整个煤柱系统的稳定性的新思路,给出评价煤柱 稳定性的指标。最后利用 FLAC 软件模拟，给出煤柱稳定性最优的方案。 邓广哲[41]针对综采放顶煤开采中煤柱变形的时效性， 通过分析综放工作面沿空一侧 区段小煤柱的受力与变形规律，引入统计损伤变量概念，建立了基于统计损伤的区段煤 柱流变模型;进一步结合能量原理， 分析了区段煤柱流变损伤条件下的时间相关性， 给出 了区段煤柱变形时间定量化表达式，得到了区段煤柱统计损伤的最小失稳计算公式，并 在现场进行了验证。 张杰等[42-43]以研究南梁煤矿区段煤柱尺寸优化及其稳定性为目标，设计了区段煤柱 不同尺寸的平面模型和立体模型并进行煤柱的稳定性研究。平面模型实验表明，在采高 2m、埋深 100m 左右的情况下，宽 10m 的煤柱能保持一定稳定性，宽 12m 的煤柱在顶 板垮落时基本能保持稳定； 准立体模型实验表明， 在宽 12m 的区段煤柱两侧工作面都垮 落时，煤柱上应力可能超过煤柱长时强度而失稳。 来兴平、 曹建涛等[44]针对神新公司乌东煤矿急斜特厚煤层综放工作面上部残留高阶 段煤柱动力失稳问题，构建了力学模型，分析了高阶段煤柱动态失稳过程及应力演化规 律，揭示了覆层残留高阶段煤柱动力失稳机理，提出了覆层残留高阶段煤柱诱发失稳防 治措施。 罗斌玉等[45]借助弹性力学理论，应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的应力圆。利 用应力圆与摩尔-库伦包络线之间的关系，建立了矿柱的安全系数解析式，建立的安全 系数解析式能够对矿柱的稳定性进行科学评价分析。 图 1.2 正应力和剪应力共同作用下倾斜矿柱的受力状态 陈绍杰等[46-48]对不同加载速率下大尺寸原煤试件进行了渐进破坏试验，总结出条带 煤柱由边缘向内部渐进破坏，煤柱边缘中部偏上位置首先发生破坏，然后向边缘两侧发 展；煤柱试件尺寸较大，其包含明显裂隙组越多，片帮式破坏不均匀。 张明等[49]为了揭示厚硬岩层运动和煤柱应力演化之间的关系及其组成系统失稳规 律，提出采场“厚硬岩层–煤柱”结构模型，探讨了厚硬岩层–煤柱失稳的力学判据、煤 1 绪论 7 柱应力变化特征及其灾害防控方法。 1.2.3 工作面覆岩活动规律研究 煤柱宽度及其稳定性与工作面覆岩活动规律有着密切关系，只有在总结上覆岩层支 承压力分布规律以及覆岩活动基础上才能更好的解决煤柱留设及稳定性问题。 早期人们对矿山压力研究较少，主要依据采场压力显现的各种现象进行猜测性的说 明。其中，压力拱假说，解释了产生支撑压力区的原因；悬臂梁假说，揭示了采场呈现 出周期来压的现象的机理[50]；预成裂隙假说，提出了工作面顶板岩层的应力释放、升高 和采动影响三个范围[51-53]；铰接岩块假说，提出了垮落带和裂隙带的概念。 钱鸣高院士[54-55]基于理论与实践提出了砌体梁结构，通过构建了采场上覆岩层的力 学模型，给出了覆岩结构平衡和失稳的条件。 陆士良[56]为了使采空区一侧留设的区段煤柱免受相邻工作面矿山压力分布影响， 认 为区段煤柱的留设宽度应不小于巷道开挖所形成的塑性区宽度，为了使煤柱保持稳定状 态，煤柱中间还应留有一定弹性宽度。 黄庆享[57-59]等通过大量现场实测，揭示了近浅埋煤层的矿压显现规律，分析顶板活 动规律和来压机理， 对研究浅埋煤层顶板结构理论和指导生产实践具有重要的理论和实 践意义。 王同旭等[60]通过 FLAC3D模拟了孤岛工作面煤柱支承压力的分布规律，为回采巷道 位置成功避开压力高峰区提供理论依据。 张胜云[61]通过建立侧向岩层断裂的三角块结构力学模型， 以此确定了近距离煤层综 采工作面区段煤柱的合理宽度以及基本顶沿工作面推进方向断裂长度和沿侧向断裂跨 度。 王钰博[62]以塔山矿 8206 工作面为工程背景，建立采空区端部覆岩运动模型，研究 了采空区稳定前后端部结构特征及侧向支承压力演化规律，揭示了特厚煤层综放工作面 侧向支承压力演化机理。 刘文岗，陈涛等[63]针对杭来湾煤矿 30101 大采高工作面近浅埋煤层地质条件，通过 现场实测和理论分析相结合方法，对工作面覆岩运动和地表运移规律进行了系统研究。 将开采过程划分为初采阶段、正常开采阶段及末采阶段。研究成果指导了 30101 工作面 顶板矿压灾害防治，并为后续工作面的设计提供了理论和技术保障。 1.3 研究内容 本研究主要针对杭来湾煤矿综采工作面区段煤柱留设宽度问题展开讨论，采用地质 调研、力学实验、理论计算、数值计算及现场验证等综合手段，对区段煤柱合理留设尺 寸及其稳定性进行科学论断。其主要研究内容如下 西安科技大学工程硕士学位论文 8 （1）杭来湾煤矿煤岩力学特性分析 对杭来湾煤矿地质条件及开采条件展开调研，通过室内岩石力学实验，获得煤岩体 物理力学参数，为后续煤柱合理宽度及数值模拟计算提供理论依据。 （2）区段煤柱宽度计算与稳定性分析 通过对区段煤柱应力分布规律、变形特征及稳定性分析，揭示区段煤柱变形破坏机 理；用 SMP 破坏准则，计算区段煤柱弹性区及塑性区合理，进而得到区段煤柱合理留 设宽度。 （3）区段煤柱宽度优化数值模拟 借助 FLAC3D数值计算软件，研究巷道开挖过程、一侧工作面回采以及两侧工作面 回采时不同宽度煤柱塑性区、应力分布以及围岩位移量变化特征，进一步确定合理煤柱 宽度，验证煤柱宽度理论计算合理性。 （4）区段煤柱现场稳定性监测 以杭来湾煤矿 30108 工作面区段煤柱为工程背景，采用钻孔应力计、钻孔窥视仪以 及“十字布点法”等综合监测手段，对工作面区段煤柱内部裂隙发育情况、松动圈范围及 巷道收