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Vo l 29,No . 8 Aug 2020 第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值 模拟研究 宁廷洲】，李 刚2,赵鹏翔2,林海飞2,杨俊生1,李晓疆3,贾永勇3 （1.兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿，新疆 昌吉831100 2.西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 3.新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所，新疆 乌鲁木齐830001） 摘 要为了确定倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度，以兖矿新疆矿业硫磺沟煤矿为研究对象，分析了 倾斜煤层条件下沿空掘巷围岩应力分布及变形特征，不同煤柱宽度的垂直应力分布规律结果表明煤柱 宽度大于4 m时，煤柱内稳定区域增势比较明显，随着煤柱宽度的不断增大，煤柱内稳定核心承载区域不 断增大;根据巷道掘进期间垂直应力大小，应力分布规律及围岩巷道稳定性分析确定煤柱合理宽度为4 m； 现场实测数据表明，窄煤柱宽度为4 m时可以有效满足巷道围岩稳定性要求。 关键词倾斜厚煤层；沿空掘巷；数值模拟；垂直应力分布；围岩变形 中图分类号TD823. 5 文献标识码A 文章编号1004-4051（2020）08-0129-04 Numer/cals/mulatonstudyonreasonablew/dthofnarrowcoalp/lars alonggobroad/n/nclnedth/ckcoalseam NING Tingzho u1 , LI Ga ng2 , ZHAO Pengxia ng2 , LIN Ha ifei2 , YANG Junsheng1 , LI Xia o jia ng3 , JIA Yo ngyo ng3 1. Liuhua nggo u Co a l Mine , Ya nkua ng Xinjia ng Mining Co . , Ltd. , Cha ngji 831100 , China； 2 Colegeo fSa fetySciencea ndEngineering Xia n Univers ityo fSciencea ndTechno lo gy Xia n710054 China； 3 Xinjia ngUygurAuto no mo usRegio nCo a lScienceInstitute Urumq i830001 China Abstract In o rder to determine the rea so na ble width o f the na rro w co a l pilla r go b-side entry in the inclined thickco a ls ea m thes tres sdistributio na nddefo rma tio ncha ra cteris ticso fthesurro undingro cko fthego b- sideentryintheinclinedco a lsea m a rea na lyzed.Thevertica lstressdistributio nla w o fdiferentwidtho f co a lpila ris a na lyzed.Theres ults s ho wtha twhentheco a lpila rwidthis mo retha n4 m thes ta bilityo fthe s ta blea rea intheco a lpila ris o bvio us .Withtheco ntinuo us increa s eo ftheco a lpila rwidththes ta bleco re bea ringa rea intheco a lpila rincrea ses co ntinuo usly；a cco rdingto thevertica ls tres s duringthero a dwa y exca va tio nthestressdistributio nla wa ndthesta bilitya na lysiso fthesuro undingro ckro a dwa ydeterminstha tthe rea so na blewidtho ftheco a lpila ris 4m；thefieldmea suredda ta sho wtha tthewidtho fthenaro wco a lpila rgo b- sideentryca nefectivelymeetthesta bilityreq uirementso fthesuro undingro cko fthero a dwa y. Keywords inclined thick co a l sea m； go b-sideentry； numerica ls imula tio n； vertica l stress dis tributio n； surro undingro ckdefo rma tio n 收稿日期收稿日期2019-04-16 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目国家自然科学基金项目资助（编号 51604219）；新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目资助（编号2018D01A22）；科技支疆项目 资助（编号2018E02094）；天山创新团队队项目资助（编号2018D14003） 第一作者简介第一作者简介宁廷洲（1971-）,男，山东泰安人，高级工程师，长期从事煤矿深部软岩巷道支护、深井冲击地压防治、矿井“一通三防”等方面 的技术管理工作。 引用格式引用格式宁廷洲，李刚，赵，赵鹏翔，等.倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟研究J*.中国矿业，2020,29（8）129-132,137. do i10. 12075/j. issn. 1004-4051. 2020. 08 002 130中国矿业 第29卷 新疆地区矿井具有煤层厚、倾角大的特点，由于 近年煤矿开采深 断 ，矿井面临 地压压、回 米率较低等问题。 解决矿 地压，提高矿 回采率，合理确定护护巷煤柱柱的 重要M o 近年来我国多个矿 广泛使用窄煤柱柱技术, 目前国 学者 研究「4切，窄煤柱柱的合理 定了定了巷 的稳定性，对于巷道支护护及围 岩 控制具有重要影响。本文针对新疆硫 煤 矿倾斜煤层4-506工作面 巷窄煤柱柱合理宽 问题，通过分析巷 岩应力分布规律 ，综合考虑考虑确定了定了倾斜煤层4-506工作面 巷窄煤柱柱的合理 ， 矿井煤柱柱 合理 的确定具有重要参考参考价值值。 1 工程概况工程概况 矿 用集中斜井多水平开水平开拓方式，45,煤层 位于西山窑组下段中部，厚度5. 5〜6. 8 m,平均厚 6. 15 m，工作面煤层倾角24〜26，下距7煤层 1.03〜8.06 m,平均4.42 m,4-5层煤全井田发育， 其厚度变异 13.09，全区稳定 ，煤层结 较简单为主,局部夹肝为稳定煤层。 2数 的建立数 的建立 用有限限元软件FLAC“，依据工作面实际关 系及顶底板岩性参 参 模型图1,模 XXY XZ170 mX40 mX156 m,煤柱宽度分别 为 3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m,模拟倾 25。模型边界 设 侧面限制水平移动, 固固定，煤体水平 体水平 的 力 取1.2,模型模型 用Mo hr-Co ulo mb模型模 。覆岩 力学参数见表1。 图1数值计算模型 Fig. 1 Numerical calculation model 数值计算时，巷道为无支护状态。4-5 04工 作面回采后在侧向形成支承压力影响区，应力峰值 边缘10 m,合理的煤柱取值 3〜 10 m,设计8个煤柱方案，具 2。 数值模型计算过程为4-504工作面回采计 算64-506沿空掘巷掘进64-506工作面回采 。 表1顶底板岩体力学特性 Table1 Mechanicalcharacteri6tic6ofroofand floor rock ma6 位置岩性 容重/ kN/m3 */ 摩 / 黏聚力/ MPaGPa E 中砂岩 26 4 9. 920. 36 44 0612 60 顶板 粗砂岩 25 7 12. 530. 29 42 4512 09 泥岩 26 5 13. 730. 27 46 8211 83 粉砂岩 26 9 20. 550. 21 35 9425 02 煤层煤 13 5 2. 560. 24 14 037 06 底板 砂质泥岩 26 5 14. 590. 25 42 6112 76 粉砂岩 26 7 30. 730. 28 41 2120 08 表2煤柱宽度方案 Table2 Coalpilarwidth6cheme 案一二五六七八 煤柱宽度/m3456789 10 3数值模拟结果及分析数值模拟结果及分析 31 巷 岩 力 布 期间, 煤柱条件下煤柱内垂 直应力 布 ，如图2所示。 垂直应力分布如垂直应力分布如图3所示。所示。由图3可知，煤柱，煤柱 小于4 m时，煤柱 ，煤柱 发生塑性破坏；煤柱 柱 ［为 4 m时，煤柱 柱 较小范围的稳定 承载区，煤 柱 柱 时，煤柱柱内稳定 断 ，同时，同时，实 煤 力集中 均，两帮逐 偏应 力 载。 力 值 值 布如如图4 所 。 由图3 图4 知， 煤柱 柱 力 布具有 煤柱 柱 力在应力值 值 前，基本 性 ，之后又，之后又基 性衰衰减。应力峰值变 化 煤柱柱宽度为3〜4 m时，煤柱 柱 力较 ，承载力低；随着煤柱 柱 ，煤柱 柱 力 值 值 较 ，煤柱柱的承载能力 。 综上所述，煤柱 小于4 m时，煤柱内垂直 力 化 ， 煤柱 柱 发生 性 ， 承载能力 ，没有稳定的承载 ；煤柱 柱 4 m时，煤 柱柱内稳定 ，因此，从煤柱柱稳定性分析, 煤柱 柱 小 4m。 32 巷 岩 布 巷 期 ， 煤柱 柱 岩水平水平 布 如如图5 所 。 由图5可知，巷道开挖后，围岩向采空区方向移 动，在浅部围岩 一定 的 ，岩 乞碎 后后, ，巷 ，巷 面 较大，深较大，深入围岩，围岩水水 平 逐渐减小，至一定深度，围岩不再 ，形成 第8期宁廷洲，等倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟研究 131 图 2 掘 进 期 间 岩 力 场 分 Fig. 2 Distribution of vertical stress field of surrounding rock during excavation E d b I 、 4 s M tlw .O .5 .O .5 .O .5O 3. 2. 2.L L 0 煤柱宽度/m . . . . . . . . 一 3 .O .5 .O .5 .O .5O 3 J 0 I i2 wl Y 沖 M i M 25437689o 图3掘进期间煤柱内垂直应力分布 Fig. 3 Vertical stress distribution in coal pillars dur/ngexcavaton 图4掘进期间煤柱内垂直应力峰值分布 Fig. 4 Peak distribution of vertical stress in coalp larsdur ngexcavaton 图5掘进期间围岩水平位移场分布 Fig. 5 Distribution of horizontal displacement field of surrounding rock during excavation 零位移区。因重力沿层理方向的作用和上工作面回 在煤柱 一定 的 解煤柱帮水平 布规律，分析不同宽 度煤柱水平 化 ，如图6所示。 由图6可知，煤柱帮水平位移分布具有以下变 化规律煤柱 3 m时，煤柱基本无稳定区域, 破坏基本呈线性变化；煤柱宽度为4 m时，煤柱零 位移点附近2 m 的围岩水平位移小于10 mm, 煤柱内“近零位移”承载 ；随着煤柱宽度 的不断增大，煤柱内稳定 承载 断 ；所 以煤柱 4 m时，煤柱 减小，随后 又 ，煤柱 近量基 。 132 中国矿业第29卷 0.05 020 123456789 10 煤柱宽度/m 图图6掘进期间煤柱内水平位移分布掘进期间煤柱内水平位移分布 Fig. 6 Horizontal displacement distribution in coal pillars during excavation 3.3窄煤柱合理宽度的确定 巷 期间，通过对煤柱垂直应力分布 规律及围岩水平 稳定性的分析，确定煤柱合 理留设 。 支承压力集中区，掘进期 间煤柱 小于4 m时，煤柱 入塑性 ；状 ，承载能力 ；煤柱 4 m时，煤柱承 载能力较强，煤柱 时,垂直应力峰值也逐渐 ，随着煤柱 的 ，煤体内稳定承载区域遭 到压 ，煤柱的 力峰值减小，有效承载区 因此，合理的煤柱 4 m。 4工程实践工程实践 试验巷道在掘进期间围岩变形观测曲线如图7 所示。 a 两帮变形曲线 b顶板变形曲线 图图7围岩变形曲线围岩变形曲线 Fig. 7 Deation curve of surrounding rock 由图7可知，巷道掘进阶段变形主要发生在掘 进初期350〜400 m,巷道掘出400 m之后围岩变形 稳定，采用斜 等支护技术后， 近量 约为225 mm,顶底板移近量约为205 mm,分别仅 巷道原支护 期变形的43. 1和35. 3 ； 期内巷 岩 均匀化，没有发生 1 的 称变形，巷 与顶底板 到了有效 控制，巷 均在 ，满足了工作面安全 生产要求。 5结结 倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱垂直应力先增大后 减小，煤柱 小于4 m时，煤柱 发生塑性破 ，没有稳定的承载区域。煤柱 4 m时， 煤柱内存在稳定承载 ，综合考虑倾斜厚煤层沿 巷巷 岩 力 布， 煤柱 力 的 布 律，确定倾斜厚煤层 巷窄煤柱的合理为 4 m。通过 岩 ，对巷道反馈的信息 与优化，4 m煤柱 确保 巷 的稳定性得到有效控制。 参考文献参考文献 1薛念文，杨军亭，彭小亚大倾角煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽 度数值模拟研究J*山东煤炭科技，201492123 XUE Nia nwenYANG JuntingPENG Xia o ya Numerica l simula tio n study o n rea so na ble width o f na rro w go a l pilla r fo r ro a dwa y driven a lo ng go b in la rge inclina tio n a ngle co a l [J*. 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