特厚煤层综放面沿空掘巷小煤柱合理宽度留设研究.pdf

第8期 2020年8月 No. 8 Aug. 2020 山西焦煤科技 Shanxi Coking Coal Sc ienc e 低位关键层曾 稳定前支承压力曲线 稳定后支承压力曲线 软弱岩层工力］ 高位关键层/T 三角形滑移区 上区段釆空区 未放煤段 y、沿空掘巷位置 稳定前应力降低区应力增高区 定屈. ；I /〔/导 H、 应力降低区应力增高区 I原岩 ［应力区 J原岩 应力区 图3苣角滑移区运动模型图 学理论、极限平衡理论，建立煤柱侧向支承压力计算 力学模型，见图4,推导计算8307 1作面回采后侧向 支承压力分布情况，确定沿空掘巷小煤柱合理留设 宽度。 由于8305工作面煤层倾角平均为1.5。，为近水 平煤层，力学模型中a可取0。，求解屈服区界面应力 的平衡方程及边界条件句可得极限平衡区宽度为 MA ] --------In 2tano Ao■” tan。。 2C0 2AC0 2Pxt anp0 式中 A侧压系数，取0.91； 仇一内摩擦角，（）,取28； C。一黏聚力，MPa,取2； Px 一侧向约束力，取0. o■”为原岩垂直应力，取13. 25 MPa,煤层采厚M 取工作面平均煤厚13.76 m,计算出8307采空区侧 向支承压力降低区为012.77 m.为保证将巷道布置 于应力降低区内，巷道宽度为5.5 m,故5305巷小煤 1 20 山西焦煤科技2020年第8期 M煤层采厚水平应力s垂直应力 。”一垂直应力峰值丁”一煤层与岩层间剪应力 坷一极限平衡区宽度一煤层倾角 耳一煤柱所受水平约束力 图4煤柱极限平衡区宽度计算力学模型图 柱宽度最大为7. 27 m. 2. 2 侧向支承压力数值模拟分析 为进一步分析8307采空区侧向压力的分布情 况，采用F LAC“有限元计算软件进行了模拟，方案 如下 根据8305工作面实际岩层覆存特征建立三维数 值计算模型，在模型底部固定纵向位移，模型侧部固 定横向位移，在模型顶部施加10. 75 MPa垂直应力用 以模拟模型上覆岩层自重。布置测线于模型3-5*煤 底板用以监测模拟开挖过程中8307采空区侧向应力 分布状况，数值模拟计算模型见图5,上覆岩层模拟 力学参数见表1. 图5数值计算模型图 在8307采空区开挖过程中对采空区侧向120 m 范围内煤层底板的垂直应力进行监测和处理,得到曲 线见图6.从图6中可以看出，8307工作面回采后在 距离煤壁0 12 m支承压力低于原岩应力，与理论计 算中的12.77 m基本吻合，通过数值模拟可得，5305 表1煤、岩数值模拟参数表 岩性 密度 /kg/m* 2 3 * * * * * 9 体积 模量 /GPa 剪切 模量 /GPa 抗拉内摩 擦角 / 强度 /MPa 内聚力 /MPa 煤1 4263.91.63.914.330 细粒砂岩2 70015.917. 310. 823.647 中粒砂岩2 65416.615.710.615.335 粗粒砂岩2 54010.99.210.510.231 火成岩2 60417.611. 110.514.437 含砾粗砂岩2 5281513.79.71235 高岭岩2 75121.311.68.51032 炭质泥岩2 68120.914.47. 88.333 巷小煤柱宽度最大为6. 5 m. 2. 3 不同宽度煤柱受力分析 为探究不同煤柱宽度条件下巷道围岩受力状况, 对不同煤柱宽度小煤柱巷道进行模拟，结果见 图 7,8. 由图7,8可知，煤柱留设不同宽度时，煤柱内部 应力分布有很大区别。随着煤柱宽度由5 m增加到 8 m,煤柱内部应力集中程度也在逐渐增加。当煤柱 宽度为5 m时，煤柱内部最大垂直应力为8 MPa；当 煤柱宽度为6 m时，煤柱内部最大垂直应力为 9. 1 MPa；当煤柱宽度为7 m时，煤柱内部最大垂直 应力为10.6 MPa；当煤柱宽度为8 m时，煤柱内部最 大垂直应力为14 MPa.该数据表明，数值模拟结果 与理论计算基本一致，当煤柱宽度小于7 m时，煤柱 内部应力低于原岩应力13.25 MPa,当煤柱宽度大于 7 m后，煤柱内部应力开始超过原岩应力。因此，从 数值模拟围岩应力结果来看，为将小煤柱巷道布置于 应力降低区内，则煤柱宽度最大为7 m. 距煤壁距离/m 图6采空区稳定后侧向支承应力分布图 100 120 2020年第8期赵海兵等特厚煤层综放面沿空掘巷小煤柱合理宽度留设研究 21 15 a 5 m EL4C3D5.OO b 6 m c 7 m d 8 m 图7不同煤柱宽度巷道围岩应力分布图 二一 HH m m m m O O 5 5 e d w 、 -R o 0 2 4 6 8 距煤柱帮距离/m 图8不同宽度下煤柱内部应力分布曲线图 2.4 不同宽度煤柱塑性区分析 煤柱不同宽度下塑性区分布见图9,由图9可以 看出，当煤柱宽度小于等于6 m时，煤柱内部处于塑 性破坏状态；当煤柱段大于等于7 m时，煤柱内部开 始出现弹性区域,并且弹性区域宽度随着煤柱宽度的 增加而增加。由于小煤柱沿空掘巷的原则即为将巷 道布置于塑性区内，以保证巷道煤柱承受较小载荷, 因而从数值模拟塑性区分布结果来看，为将小煤柱巷 道布置于塑性区内，则煤柱宽度最大为6 m. a 5 m d 8m 图9不同煤柱宽度巷道塑性区分布图 Jdr b 6 mb 6 m TlacJdToo c 7 m 综上所述，结合理论分析及数值模拟结果，同时 为了避免8307采空区水、火、瓦斯等影响小煤柱巷, 最终确定同忻矿8305工作面小煤柱合理留设宽度为 6 m. 3工程应用效果分析 为探索6m小煤柱巷道实际生产过程中的围岩 变形情况，在巷道掘进及工作面回采期间对5305小 煤柱巷表面位移进行了现场观测，每间隔250 m设置 一个表面位移观测点，从巷口至切眼依次编号1-4, 观测结果见图10,11.观测结果表明巷道掘进期间 顶底板最大移近量为59 mm,两帮最大收敛量为 88 mm；I作面回采期间巷道顶底板最大移近量为 420 mm,两帮最大收敛量为729 mm.总体来说，在生 产过程中5305小煤柱巷围岩变形处于可控范围内, 同忻矿6 m小煤柱沿空掘巷应用效果良好。 22 山西焦煤科技2020年第8期 o o o o o o o o o o 6 5 4 3 2 6 5 4 3 2 l u u v * s l u u v * s 能務程旨 90 80 90 80 20203030404050506060 lulu、*凹捷崔崔国 距工作面距离/m 图11回采期间巷道表面位移量图 o o o o o o 7 6 5 7 6 5 3 4 3 4 一 11 - - - - - - 11 - - o o o o o o o o o o 4 3 2 1 4 3 2 1 o o i 图10掘进期间巷道表面位移量图 4结论 1） 理论分析及数值模拟结果表明，8307采空区 侧向支承应力降低区为0 12 m. 2） 当煤柱宽度大于7 m后，煤柱内部应力开始 超过原岩应力；当煤柱宽度小于等于6 m时，煤柱内 部全部塑性破坏，因而最终确定5305小煤柱巷煤柱 宽度为6 m. 3）通过巷道围岩变形监测验证了同忻矿6 m小 煤柱宽度的合理性。 参考文献 [1] 贾光胜，康立军.综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究[J] 煤炭学报,2002,2716-10. [2] 祁方坤，周跃进，曹正正，等综放沿空掘巷护巷窄煤柱留设宽度优化设计研究[J].采矿与安全工程学报,2016,333475-480. [3] 崔 楠，马占国，杨党委，等.孤岛面沿空掘巷煤柱尺寸优化及能量分析[J].采矿与安全工程学报,2017,345914-920. [4] 殷帅峰，何富连,程根银，等.基于煤体微裂隙演化进程的综放窄煤柱煤巷非对称支护研究[J].采矿与安全工程学报,2016,333444 -451. [5] 谢广祥，杨 科,刘全明.综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究[J] 岩石力学与工程学报,2006,253 545-549. [6] 谢广祥，杨 科，常聚才.煤柱宽度对综放面围岩应力分布规律影响[J].北京科技大学学报,2006,28111005-1008,1013. Research on Reasonable Width of Small Coal Pillars along Goaf in Fully Mechanized Caving Face in Extra-thick Coal Seam ZHAO Haibing, SUN Wenzhong Abstract Taking the 5305 road way in Tongxin c oal mine as the researc h objec t, through theoretic al analysis and numeric al simulation, the reasonable wid th of the small c oal pillar along the gob in the fully mec hanized c aving fac e of extra thic k seam is analyzed . Through theoretic al analysis and on・site measurement, it is finally d etermined that the 6 m small c oal pillar c an c ompletely guarantee the safe prod uc tion of Tongxin c oal mine. Key words Extra-thic k c oal seam ； Road d riving along goaf； Coal pillar wid th ； Plastic zone