采动影响下双巷掘进煤柱承载特征研究.pdf

第8期 2020年8月 No. 8 Aug. 2020 山西焦煤科技 Shanxi Coking Coal Sc ienc e 3106回风顺槽和3107进风顺槽采用 双巷掘进布置回采巷道。采掘工程示意图见图1. 2双巷煤柱承载特性演化特征 2. 1 数值模型建立 根据实际地质条件采用flac’d岩土工程软件 建立数值模型，模型厚60 m,宽度150 m,长度 200 m,包括7层岩层。模型两侧边界及前后边界均 施加水平位移约束，底部边界施加垂直位移约束，上 部边界施加7.5 MPa的均布载荷，煤层采用应变软 收稿日期2020-06-19 作者简介范文生1968-,男，山西忻州人，1989年毕业于中国矿业大学,工程师，主要从事煤炭销售与管理工作 E-mail fws6080 aliyun. c om 2020年第8期范文生等采动影响下双巷掘进煤柱承载特征研究 45 图1采掘工程示意图 化模型，其余岩层采用Mohr-Coulomb模型。数值计 算模型见图2,模型中的力学参数见表1. 图2数值计算模型图 表1模型中的物理力学参数表 序号岩层 密度 /kg/m3 体积模量 /GPa 剪切模量 /GPa 内聚力 /MPa 抗拉强度 /MPa 内摩擦角 / 2、7砂质泥岩2 4003. 852. 421.661.2026 3、6粉砂岩2 2676. 943.972. 241.6030 1、5泥岩1 8003.472. 331.200. 8026 4煤层1 3002. 161.421.050. 6024 数值模型计算过程为建立数值计算模型-原岩 应力平衡计算-双巷同时掘进计算-3106工作面回 采计算-3107工作面回采计算-计算结果输出与分 析。在给定围岩力学参数条件下，只考虑煤柱宽度变 化对煤柱承载的影响，选择4 m、6 m、8 m、12 m煤柱 4个方案进行模拟，通过对模拟结果的分析，找出煤 柱承载规律的变化，选择最优的煤柱宽度。 2. 2 双巷掘进期间煤柱承载特征 1 塑性区分布特征。 不同煤柱宽度下，双巷掘进煤柱塑性区分布见图 3. 由图3可知，在区段煤柱宽度不同的条件下，随着 巷道的开挖，巷道围岩内发生破坏且都是剪切破坏。 当巷道宽度为4 m时，巷道围岩在掘进时发生剪切破 坏，破坏深度帮部为2 m,顶底部为3 m,4 m区段煤 柱被剪切破坏贯通；当巷道宽度大于4 m时，随巷道 开挖，围岩也发生剪切破坏，破坏深度大致和留设 4 m煤柱时相同，但由于留设的煤柱宽度大于4 m, 在区段煤柱中间留有一定的弹性核，6 m煤柱时弹性 核占区段煤柱的2/3,8 m、12 m煤柱时，弹性核占区 段煤柱的2/3以上。 2 垂直应力分布特征。 不同区段煤柱下，双巷掘进时区段煤柱内垂直应 力分布见图4.由图4可知，巷道开挖时，随煤柱宽度 的增加，区段煤柱内的应力由单峰状向拱形变化，在 煤柱宽度为4 m时，煤柱内的峰值应力最高，为 a 4 m煤柱 c 8 m煤柱 b 6 m煤柱 d 12 m煤柱 图3不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布图 9.8 MPa,随区段煤柱宽度增加，区段煤柱内的垂直 应力峰值在减小；煤柱宽度6 m、8 m时，区段煤柱内 的峰值应力相近为 2 MPa；当区段煤柱为12 m时, 区段煤柱内的峰值应力最小为8 MPa. w 图4不同煤柱宽度下煤柱内垂直应力曲线图 46 山西焦煤科技2020年第8期 2. 3 一次采动期间煤柱承载特征 1）塑性区分布特征。 选择3106工作面后方20 m位置进行研究，得到 一次采动后不同煤柱宽度的塑性区分布，见图5.图 5中，4m、6m和8 m煤柱经历一次采动后，在工作面 后方20 m全部进入塑性破坏而且变形越来越大，破 坏方式为剪切破坏；当区段煤柱为12 m时，在工作面 区和工作面后20 m处，虽然塑性区在区段煤柱两帮 增大，但煤柱中间仍保存有弹性区。 c 8 m煤柱 d 12 m煤柱 图5 次采动影响后不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布图 2）垂直应力分布特征。 一次采动后煤柱内的垂直应力分布特征见图6. 在工作面后方20 m处,4 m煤柱内的垂直应力为6. 8 MPa,低于原岩应力7. 5 MPa,说明在3106工作面回 采后已成为屈服煤柱。6 m煤柱内的垂直应力呈“马 鞍型”双峰值分布，最大应力为10.5 MPa,超过原岩 应力，煤柱内部承载范围约为3 m,说明6 m煤柱在 一次采动以后是塑性承载煤柱。8 m煤柱的垂直应 力最大为10. 7 MPa,煤柱内部承载范围约为5 m,煤 柱具有较高的承载力。12 m煤柱的垂直应力最大为 11.9 MPa,其内部存在弹性承载区，范围约为9 m,说 明煤柱承载效果较好。对比分析可知，煤柱宽度越 大,一次采动后的垂直应力越高，而且内部的承载范 围越大，由塑性承载逐渐转化为弹性承载。 2. 4 二次采动期间煤柱承载特征 1）塑性区分布特征。 E d W / 百 图6不同煤柱宽度下煤柱内垂直应力曲线图 3107工作面回采后，选择超前工作面10 m位置 的断面进行分析,得到二次采动后不同煤柱宽度的塑 性区分布，见图7. 4 m煤柱在3106 I作面回采时, 在工作面后方煤柱内的垂直应力低于原岩应力且变 形较大，故在二次回采时不做分析。由图7可知，煤 柱的破坏方式为剪切破坏，塑性区的范围变化较大, 6 m和8 m煤柱超前10 m的塑性区范围较一次回采 时增大；12 m煤柱时塑性区虽然也增大，但在煤柱中 仍有一部分弹性核。 a） 6 m煤柱 b） 8 m煤柱 c） 12 m煤柱 图7不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布图 2）垂直应力分布特征。 二次采动下，不同宽度煤柱垂直应力曲线图见 图8.由图8可知，受二次采动影响煤柱内的垂直 应力有所升高，但随着煤柱宽度的增加，煤柱内的 垂直应力在减小。6 m煤柱时最高，煤柱内的峰值 应力为15.59 MPa； 12 m煤柱时最小，峰值应力为 13.6 MPa.说明6 m以上煤柱仍具有承载能力， 6 m、8 m煤柱为塑性承载煤柱，12 m煤柱为弹性承 载煤柱。 综上分析，双巷掘进区段煤柱在全动压过程中, 塑性变形逐渐增加，内部垂直应力逐渐升高。确定煤 柱宽度时必须保证二次回采后依然保持稳定，针对 3106和3107工作面的地质条件，确定合理的煤柱宽 2020年第8期范文生等采动影响下双巷掘进煤柱承载特征研究 47 e d w -R lw o 图8二次采动影响下不同煤柱宽度煤柱垂直应力曲线图 度应大于6 m,确保二次回采时属于塑性承载或者弹 性承载，配合合理的支护技术，确保安全生产。 3结论 1 双巷掘进期间，4 m煤柱进入塑性区成为塑 性承载煤柱,6 m、8 m、12 m煤柱有2/3以上的弹性 核，为弹性承载煤柱。 2 一次回采影响后，4 m煤柱成为屈服煤柱丧 失承载能力，6 m、8 m煤柱成为塑性承载煤柱；12 m 煤柱在回采期间有1/3弹性区为弹性承载煤柱。二 次回采影响后，6 m、8 m煤柱仍为塑性承载煤柱, 12 m煤柱仍为弹性承载煤柱。 3 确定了 3106回风巷和3107进风巷合理的煤 柱宽度应大于6 m,保证煤柱二次采动影响后仍然具 有承载能力，确保巷道稳定。 参考文献 [1] 田柯,任亚军，苏越，等.基于双巷掘进的沿空掘巷巷道布置系统[J].中国煤炭,2018,4410 87-91 96. [2] 王志强，王昊昊，石磊，等.高强度超长推进距离工作面双巷布置沿空掘巷机理[J].煤炭学报,2017,42S2302-310. [3] 单志，韩剑.突出煤层双巷快速掘进瓦斯综合治理技术研究[J].能源技术与管理,2015,40541-43. [4] 杨健彬，徐乃忠.双巷进两巷围岩变形及煤柱留设尺寸研究[J].煤炭技术,2007 11123-125. [5] 柏建彪，侯朝炯，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,200420 3475-3479. [6] 屈晋瑞.基于裂隙演化的双巷掘进区段煤柱承载特性研究[D].徐州中国矿业大学,2019. [7] 候海潮，伊西锋.双巷掘进合理区段煤柱宽度研究[J].煤炭技术,2016,35429-30. [8] 白文勇，徐青云，李永明，等.大采高双巷掘进巷间煤柱合理宽度研究[J].煤矿安全,2019,5010 212-215. Research on Bearing Characteristics of Coal Pillars in Double-airways Tunnelling under Influence of Mining FAN Wensheng, LIU Xiaodong Abstract Taking 3106 return airway and 3107 air intake road way of a c ertain mine as the bac kground, the nu meric al mod el was established with F LAC3D finite element software, and the influenc e of 4 m, 6 m, 8 m and 12 m wid th c oal pillars on the total d ynamic pressure was analyzed . It is d etermined that the reasonable c oal pillar wid th for d ouble-airways should be greater than 6 m, to ensure that the c oal pillar still has the bearing c apac ity after the sec ond ary mining effec t, and to ensure the stability of the road way. Key words Double-airways tunneling ； Coal pillar wid th ； Bearing c harac teristic s ； Plastic zone 上接第43页 [3] Kastanaki D E,Grammelis V P. Thermogravimetric stud ies of the behavior of lignite-biomass blend s d uring d evolatilization [ J] . F uel Proc essing Tec h nology ,2002 77 159-166. [4] 罗良飞，李芳芹，张林建，等.煤中掺混生物质混烧的热重分析及动力学特性[J].科学技术与工程,2018,189 239-243. [5] 马爱玲生物质与煤混合燃烧特性的研究[D].焦作河南理工大学,2010. [6] 田 红,廖正祝农业生物质燃烧特性及燃烧动力学[J].农业工程学报,2013,29 10 203-212. [7] 蒲 舸，张 力，王 炯，等生物质与煤肝石混烧特性实验研究[J]工程热物理学报,2009,302333-335. [8] 程书仁，刘亮.生物质与煤的混合燃烧实验研究[J].科技情报开发与经济,2009,1911 140-143. [9] 谢启强.生物质成型燃料物理性能和燃烧特性研究[D].南京南京林业大学,2008.