综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律.pdf

综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律 王金安韦文兵冯锦艳 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 “ “ “ 摘要研究了不同煤柱宽度时综放沿空异形煤柱锚网支护留巷系统围岩应力分布和破坏特征 揭示了煤体边缘水平应力和垂直应力峰值不耦合的规律以及巷道顶板应力峰值随煤柱宽度不同 而演化的轨迹深入探讨了综放沿空留巷岩石力学系统的控制变量， 并根据控制变量的取值对系 统稳定性区域进行了划分， 对不同煤柱宽度时的巷道系统稳定性进行了综合分析和评价， 对综放 沿空留巷合理护巷煤柱宽度提出了建议提出并实施了 “以加固沿空异形煤柱为主、 悬承锚网支护 留巷圈为辅” 的综合控制技术 关键词综放；异形煤柱；沿空留巷；力学场；系统稳定性 分类号 5 - “ A B * “ 4 , 采空区边缘煤层水平和垂直应力曲线 ’ * 1 8 A 1 4 6 4 5 B . 8 1 , 0 3 0 6 7- 4 8 C 4 6 1 0 3 1 8 . . 6 1 - . , 4 0 3 . 0 /6 . 0 8 1 - . 4 0 5 煤柱内应力分析 当煤柱宽度发生变化时， 即当留巷位置至采 空区煤体边缘的距离发生变化时， 煤柱内的矿压 分布以及巷道变形发生改变“图-（图的右侧为采 空区） 分别给出煤柱宽度为， ， ， 和, * 时煤柱内垂直应力分布的数值计算结果“从中可 看出煤柱内垂直应力分布曲线的形状变化规律 煤柱宽*时为 “缓丘形” ， 煤柱宽 和 *时 为 “单峰形” ， 煤柱宽 *时为 “非对称双峰形” ， 煤柱宽, *时转变为 “非对称单峰形” “随着煤 柱宽度增大， 煤柱内垂直应力峰值先增大后减小 煤柱宽度从*变到 *的过程中， 煤柱内垂直 应力峰值逐渐增大， 而煤柱宽度由 *变到, * 时应力峰值又略有减小“ 图是不同煤柱宽度时煤柱内水平应力的对 比“由图可见（） 靠近煤柱两侧边缘部分的水平 应力较小， 靠近煤柱核心部位的水平应力较高， 在 煤柱中心部分的某处达到峰值“由于煤柱两侧的 塑性区发展使应力卸载，煤柱中部往往处于弹性 D 北京科技大学学报 顶板垂直应力峰值相对巷道位置的变化过程 “ ; ’ , 1 ’ - 程想象为巷道逐渐远离采空区煤壁的运动过程， 如图所示在此过程中， 随着煤柱宽度的增大， 顶板应力峰值是逐渐靠近巷道向采空区方向运 动， 当应力峰值距巷道顶部较近时， 会产生一次跳 跃， 跳过巷道顶部到巷道另一侧煤柱内， 此后随煤 柱宽度继续增大应力峰值仍沿原方向在巷道另一 侧逐渐远离巷道其应力峰值的变化轨迹可简单 描述为 向采空区侧逐渐靠近巷道跳过巷道顶 部到另一侧继续按原方向运动逐渐远离巷道 A ’ 3 B CD ’ 王金安等综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律 万方数据 不同煤柱宽度时破坏场分析 不同煤柱宽度时破坏区对比见图 “从中可 以看出， 在煤柱宽度由小变大时， 煤柱的破坏形态 变化过程为 煤柱全部破坏“形” 破坏棱形 破坏和楔形破坏； 煤柱破坏区由贯通变为不贯通“ 煤柱宽度时， 煤柱完全破坏； 煤柱宽度 ’ 8 97 ’ 2 2 5 / 5 1 8 - ’ 3 3 . / ’ 7 8 9 0 . 2 8 5 /, ’ 1 ’ 1 巷道变形分析 图,为不同煤柱宽度时巷道周边位移对比“ 从中可看出， 由于宽煤柱留巷主要受老顶运 动引起的变形压力作用， 因而巷道顶板和煤帮变 形加剧； 3 / 7* 1 * A ’ 3 B ’ C 王金安等综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律 万方数据 统的稳定性也发生着变化， 煤柱宽度在顶板应力 峰值位置突变点附近区域内沿空留巷系统的稳定 性较差， 而在突变点两侧一定距离以外的区域均 为系统稳定性较好区域， 当然在突变点左侧较远 处由于煤柱宽度太窄而又过渡到一个稳定性较差 区域 因此在选择沿空留巷系统的合理护巷煤柱宽 度时， 应注意在顶板应力峰值位置发生突变的煤 柱宽度附近存在一个不利于系统稳定性的混沌区 域， 在生产中要尽量避免煤柱宽度处于此范围内 当然在混沌区域以外， 随着煤柱宽度的增加沿空 留巷系统的稳定性会提高， 但这不利于提高煤炭 资源的利用率， 因此合理的护巷煤柱宽度应选择 在图“的区域内 此外， 从系统学的角度来看， 可以将沿空留巷 系统的顶板应力峰值位置的变化和转移看作是系 统自我调节、 自我协调的自组织行为当煤柱宽 度较大时， 煤柱支承能力较强， 应力峰值作用在煤 柱上方， 而当煤柱宽度变小时， 煤柱支承能力逐渐 减弱， 因而在系统自组织作用下应力峰值开始向 实体煤内转移， 以达到保持系统稳定的目的这 种应力峰值的转移就是系统由一种稳定状态向另 一种稳定状态过渡的过程， 在这个过渡过程中系 统的稳定性较弱， 因而要注意加强支护来改善其 稳定性当系统过渡到下一个稳定状态后， 随着 煤柱宽度的继续减小， 系统的稳定性又开始减弱， 当煤柱宽度小到一定程度时， 由于系统的自组织 能力有限， 已经无法通过自我调整来保持稳定性， 因而必然导致煤柱坍塌和失稳 现场实施与评价 根据 沿空留巷围岩受力、 变形破坏机理 和稳定性要素， 在巷道原有锚网支护的基础上， 分 别研究和设计了加强锚杆、 锚索和临时支护等技 术和控制手段， 形成了以加固沿空异形煤柱为主、 锚索悬承锚网支护留巷圈为辅的综合控制技术， 对受采动影响的巷道进行机理明确、 在关键部位 和关键时期进行有效控制的技术体系 从现场观测结果看， 该支护体系起到了较好 的控制效果， 保证了生产顺利和安全进行从巷 道全长范围看， 由于沿空留巷受到采动的影响较 大， 巷道断面产生一定的收敛变形不可避免， 即使 局部区段变形稍大， 也只需简单维护就可保证回 采正常进行， 巷道的收敛变形没有对煤层的正常 开采造成停产影响图 结论 （ - / 0 - / . / 8 5 6 / / ; 8 6 5 A / - 2 B ; 2 8 3 ; 8 1 5 6 9 5 6 5 6 9 7 5 / 3 0 - 4 5 / 5 - . / 0 / ; - - 2 5 7 7 / . / 6 - 5 3 3 8 . 5 - 0， / . / - / . 2 8 8 I / / 6 . 2 - / ; - / 8 6 5 . B . / 9 4 3 8 . 5 3 3 8 .. / 8 5 6 / 8 3 2 6 9- /9 2 8 7 5 6 / ; 8 6 5 A / - 2 B ; 2 8 3 ; 8 1 5 6 9 5 6 5 6 98 6 0 4 2 . - / I 2 3 - B / 0 - / ; 6 5 K 4 / “ F / 0 - 4 8 6 5 7 / 0 - / - / 4 6 ; 2 4 3 / 8 - - / . 62 7 - / / 8 J 0 - . / 0 0 / 0 5 61 / . - 5 ; 8 3 8 6 2 . 5 A 2 6 - 8 3 5 6 9 5 - 5 3 3 8 . 5 - “ F / ; 2 6 - . 2 3 1 8 . 5 8 I 3 / 8 0 2 5 6 - / 0 - / ，8 6 - /8 . / 8 0 / . / 5 0 - 5 6 9 4 5 0 / 0 - / . 2 - / ; - / - / 5 3 3 8 . 5 - 5 7 7 / . / 6 - 5 - 0，- / . / 8 0 2 6 8 I 3 / 5 3 3 8 . 5 - 8 0 . 2 2 - / 7 2 . / 7 7 / ; - 5 1 / . 2 - / ; - 5 2 6 2 7 - / . 2 8 5 6 / ; 8 B 6 5 A / - 2 B ; 2 8 3 ; 8 1 5 6 9 5 6 5 6 9 8 6 / 3 “ L; 2 . / / 6 0 5 1 / ; 2 6 - . 2 3 - / ; 6 5 K 4 / 8 0 . 2 2 0 / 8 6 / 8 6 . / 8 5 6 / 8 3 2 6 9 - /9 2 8 7 “ ’ * , / ; 8 6 5 A / - 2 B ; 2 8 3 ; 8 1 5 6 9 5 6 5 6 9；5 . . / 9 4 3 8 . 5 3 3 8 . ；. 2 8 . / 8 5 6 / -.- / 0 1 2 . 34 0 2 5 王金安等综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律 万方数据 综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律综放沿空异形煤柱留巷系统力学场演化规律 作者王金安， 韦文兵， 冯锦艳， WANG Jinan， WEI Wenbing， FENG Jinyan 作者单位北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083 刊名 北京科技大学学报 英文刊名JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY BEIJING 年，卷期2006，284 引用次数4次 参考文献9条参考文献9条 1.李化敏 沿空留巷顶板岩层控制设计[期刊论文]-岩石力学与工程学报 20005 2.卢喜山.雷养锋.姚理忠 全锚支护技术在德国煤矿的应用 20006 3.刘听成 无煤柱护巷的应用与进展 19944 4.黄福昌 兖州矿区煤巷锚网支护技术 2000 5.马俊枫.段二丑 综采沿空留巷锚索加强支护试验研究[期刊论文]-煤炭科技 20024 6.赵英利 基于综放沿空留巷的全煤巷锚杆索加固技术[期刊论文]-矿山压力与顶板管理 20022 7.王来贵.黄润秋.王泳嘉 岩石力学系统运动稳定性理论及其应用 1998 8.王树仁.王金安.戴涌 大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与破坏机理的离散元分析[期刊论文]-北京科技大 学学报 20051 9.吴立新.王金庄.刘延安 建构筑物下压煤条带开采理论与实践 1994 相似文献9条相似文献9条 1.期刊论文 王金安.韦文兵.冯锦艳 综放异形煤柱沿空留巷矿压监测 -矿山压力与顶板管理2005,222 通过现场多种手段监测,揭示了综放开采影响期间沿空异形煤柱锚网支护留巷的矿压规律.研究表明,综放沿空留巷受采场矿压影响时间和程度 随留巷煤柱宽度的增加表现出明显滞后现象以及位移和压力增长的不同步现象. 2.会议论文 韦文兵.王金安.冯锦艳 综放异形煤柱沿空留巷锚网支护与加固技术研究 本文提出并实施了以加固沿空异形煤柱为主、悬承锚网支护留巷圈为辅的综合控制技术,形成了对受采动影响的巷道进行机理明确、在关键部 位和关键时期进行有效控制的技术体系,并在理论上揭示了异形煤柱不同宽度处巷道支护的作用机理.通过现场实施,取得了较好的支护效果。 3.期刊论文 彭加强.王金安.韦文兵.辛振省.Peng Jiaqiang.Wang Jinan.Wei Wenbin.Xin Zhenxing 综放沿空 异形煤柱广义尺寸效应研究 -中国矿业2006,1512 根据煤柱强度理论和限差分计算分析了尺寸效应对异形煤柱的影响,得出当煤柱宽度为5m～10m时,煤柱虽已破坏,但处于低应力区,只要采取一 定的加固措施,使其为一整体,就基本能保证其稳定性;当煤柱宽度为10m～20m时,煤柱内塑性区已贯通,同时应力峰值未能发生转移,使煤柱一直承受 较高应力,对煤柱稳定极为不利;当煤柱宽度为20m以上时,虽然应力峰值不发生转移,但煤柱内塑性区不贯通,煤柱中形成弹性核区,能很好抵抗峰值 压力,但从资源角度考虑,20m以上煤柱不适宜做护巷煤柱;当煤柱宽度超过23m时,煤柱强度基本不增大的结论,对以后煤柱设计具有一定的参考价值. 4.期刊论文 王金安.韦文兵.冯锦艳.WANG Jin-an.WEI Wen-bing.FENG Jin-yan 综放异形煤柱沿空留巷围岩松 动圈演化与控制 -煤炭科学技术2005,335 通过数值计算得出巷道周边的垂直应力分布,并根据垂直应力分布来判断巷道周边松动区的范围,近似认为垂直应力小于原岩应力的区域为松动 区,从而得到了不同煤柱宽度时综放沿空留巷的松动圈厚度,并根据计算的松动圈厚度进行了锚杆参数设计.通过现场验证,取得了较好的支护效果. 5.期刊论文 徐学富.尚文斌.雷金萍 综放沿空异形煤柱锚网支护留巷矿压演化规律与监控技术研究与应用 -煤 矿开采2004,94 从解决现场实际问题出发,研究了综放沿空异形煤柱锚网支护留巷的矿压演化规律,提出了合理的支护参数和施工工艺,为今后类似工程设计、 施工和管理积累经验和提供科学依据,研究完善和发展了综放沿空锚网支护留巷理论与实践. 6.期刊论文 徐学富.赵兴和.尚文斌.赵立龙 综放沿空异形煤柱锚网支护留巷巷道加固技术的研究与应用 -矿业 安全与环保2008,352 从解决现场实际问题出发,对综放沿空异形煤柱锚网支护留巷巷道受综放开采的影响进行了系统的研究,提出了合理的加固支护参数和施工工艺 ,为今后类似工程设计、施工及管理积累经验和提供科学依据,完善和发展了综放沿空锚网支护留巷理论与实践. 7.学位论文 韦文兵 复杂扰动锚网支护巷道的力学系统研究与工程应用 2005 本文的主要研究对象是一个煤柱宽度从5m变化到30m的综放锚网支护沿空留巷力学系统.通过理论分析和数值计算,研究了不同煤柱宽度时综放 沿空异形煤柱锚网支护留巷系统围岩应力分布和破坏特征,揭示了煤体边缘水平应力和垂直应力峰值不耦合的规律以及巷道顶板应力峰值随煤柱宽 度不同而演化的轨迹,深入探讨了综放沿空留巷岩石力学系统的控制变量,并根据该控制变量的取值对系统稳定性区域进行了划分,对不同煤柱宽度 时的巷道系统的稳定性进行了综合分析和评价,提出了对综放沿空留巷合理护巷煤柱宽度的建议.提出并实施了以加固沿空异形煤柱为主、悬承锚网 支护留巷圈为辅的综合控制技术,形成了对受采动影响的巷道进行机理明确、在关键部位和关键时期进行有效控制的技术体系,并在理论上揭示了异 形煤柱不同宽度处巷道支护的作用机理.通过现场实施,取得了较好的支护效果.通过数值计算得出巷道周边的垂直应力分布,并根据垂直应力分布来 判断巷道周边松动区的范围,近似认为垂直应力小于原岩应力的区域为松动区,从而得到了不同煤柱宽度时综放沿空留巷的松动圈厚度,并在此基础 上提出了一种兼顾动静松动圈的折中的锚杆参数设计方法.通过现场多种手段监测,揭示了综放开采影响期间沿空异形煤柱锚网支护留巷的矿压规律 .研究表明,综放沿空留巷受采场矿压影响时间和程度随留巷煤柱宽度的增加表现出明显滞后现象以及位移和压力增长的不同步现象. 8.期刊论文 冯锦艳.王金安.韦文兵 煤柱宽度对综放留巷稳定性影响的研究 -矿山压力与顶板管理2005,224 通过理论计算得出确保综放沿空异形煤柱留巷稳定性的煤柱宽度,在此基础上运用数值模拟计算方法分析不同煤柱宽度时,综放沿空异形煤柱留 巷的矿压显现规律以及破坏演化规律,结合现场巷道变形监测结果对沿空留巷的稳定性进行了评价. 9.期刊论文 高小明.GAO Xiao-ming 综放工作面异形煤柱条件下的护巷技术 -煤2009,183 从解决现场实际问题出发,针对综放工作面异形煤柱特点,有针对性地设计和采用锚杆、锚索和临时支柱等控制措施,对需要保护的巷道进行机 理明确的综合加固与控制;采用多种监测技术手段,对留巷在不同煤柱宽度处围岩的压力、变形和破坏进行了现场监测,揭示了不同宽度煤柱留巷在 采动影响下沿倾斜和走向方向岩层压力分布、巷道围岩移动变形与破坏的演化规律,取得了良好的支护效果,并为今后类似条件下的工程设计、施工 和管理提供了科学依据. 引证文献5条引证文献5条 1.潘国平 浅谈屯兰矿煤柱优化研究与应用[期刊论文]-山西焦煤科技 200810 2.郭保华.陆庭侃 深井巷道底鼓机理及切槽控制技术分析[期刊论文]-采矿与安全工程学报 200801 3.杨科.谢广祥 窄煤柱综放巷道围岩应力场特征[期刊论文]-采矿与安全工程学报 200703 4.陈有宝.刘红.王金安 采空区边缘回风巷合理位置的研究[期刊论文]-中国矿业 200702 5.周跃峰 扰动围岩巷道锚网联合支护技术研究[学位论文]硕士 2007 本文链接 下载时间2009年12月8日