复杂地质条件下综放区段煤柱优化.pdf

412020 年第 9 期 付 晓复杂地质条件下综放区段煤柱优化 复杂地质条件下综放区段煤柱优化 付 晓 （晋能集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033400） 摘 要 为提高煤炭资源回收率，减少区段煤柱损失，锦瑞煤业在理论研究的基础上对 5 号煤综放区段煤柱进行优化， 通过建立数值模型，模拟出不同煤柱宽度下的巷道应力应变情况，结合理论计算，确定了复杂地质条件下综放工作面区段 煤柱的合理宽度。 关键词 综放 区段 煤柱 模型 中图分类号 TD822.3 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.015 Optimization of Coal Pillar in Fully Mechanized Caving Section Under Complex Geological Conditions Fu Xiao Jinneng Group Jinrui Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Lvliang 033400 Abstract In order to improve the recovery rate of coal resources and reduce the loss of coal pillar, Jinrui Coal Industry optimizes the pillar of No.5 coal fully mechanized caving section on the basis of theoretical research. Based on the numerical model, the stress and strain of roadway under different coal pillar widths are simulated, and the reasonable width of coal pillar in fully mechanized caving section under complex geological conditions is determined. Key words fully mechanized caving section coal pillar model 收稿日期 2020-03-08 作者简介 付晓（1993），男，山西吕梁人，助理工程师， 2012 年毕业于黑龙江科技大学，现在晋能集团锦瑞煤业有限公 司从事技术管理工作。 1 工程概况 山西锦瑞煤业为兼并重组矿井，位于河东煤田 中段，设计生产能力 120 万 t/a。矿井主采 5、8、9 号煤层。5 号煤层地质构造简单，赋存稳定，煤层 倾角平均 7，厚度平均 6.4 m。矿井现开采 5 号煤 层一采区，工作面倾向长壁布置，机风巷断面为矩 形，采用“锚网喷 锚索”支护，综放开采。如图 1 所示。 2 区段煤柱应力分析及变形破坏机理 区段煤柱，另一侧为巷道，巷道开挖后周边煤 岩产生塑性变形。上一区段已回采工作面所形成的 应力和巷道开挖形成的应力共同决定了区段煤柱的 稳定性，其稳定性有三种表现形式一是煤柱没有 出现任何形式的破坏，此种情况煤柱所受的压力小 于其承载能力，但此种情况下留设的区段煤柱宽度 较大，通常为 2530 m，资源浪费严重；二是煤柱 出现一定的变形但在可控范围内，此种情况煤柱所 受的压力达到承载能力极限，但之后所受的压力迅 速减小，煤柱依靠自身的残余强度来保持稳定；三 是煤柱自身的残余强度满足不了承受的压力，煤柱 遭到破坏。 图 1 5 号煤一采区工作面布置图 3 区段煤柱确定 3.1 煤柱尺寸数值模拟 根据锦瑞煤业一采区回采巷道现场调研情况， 付 晓复杂地质条件下综放区段煤柱优化 422020 年第 9 期 利用 FLAC3D软件，建立倾斜煤层数值模拟，分析 在掘进及回采期间不同煤柱尺寸下垂直应力分布及 围岩变形特征，确定合理煤柱尺寸。本次进行分析 研究的煤柱宽度分别为5 m、 8 m、 10 m、 15 m、 20 m、 25 m。 3.1.1 垂直应力分布特征 （1）机巷掘进阶段垂直应力分布 5102 机巷掘进时，根据模拟结果，不同宽度煤 柱掘进阶段垂直应力曲线如图 2 所示。 （a）5 m （b）8 m （c）10 m （d）15 m （e）20 m （f）25 m 图 2 不同宽度煤柱掘进阶段垂直应力曲线 由图 2 可知，在掘进阶段不同宽度煤柱上的垂 直应力峰值分别为 16.2 MPa、20.2 MPa、21.7 MPa、 21.9 MPa、20.6 MPa、20.0 MPa，最大值 21.9 MPa 所 对应的煤柱宽度为 15 m，以 15 m 煤柱宽度为界，其 垂直应力峰值先增大后减小。由图可知，煤柱宽度 ＞ 15 m 时，煤柱所受压力出现双峰状态，说明此时 煤柱内部出现能够保持较高的承载能力，保证围岩不 破坏， 而且煤柱宽度越大双峰距离越大， 煤柱越稳定。 （2）5102 工作面回采时煤柱垂直应力分布 受上区段已回采 5101 工作面及 5102 工作面回采 的影响，其不同宽度煤柱对应的垂直应力曲线如图 3 所示。本次模拟取值取自超前 5102 工作面 10 m 处的 应力值。 由图 3 可知，不同宽度煤柱在回采阶段，煤柱 上的垂直应力峰值分别为 17.9 MPa、21.4 MPa、 22.6 MPa、22.9 MPa、21.8 MPa、21.0 MPa， 最 大 值 22.9 MPa 所对应的煤柱宽度为 15 m，结果和掘 进阶段一样。以 15 m 煤柱宽度为界，其垂直应力 峰值先增大后减小。煤柱宽度＞ 15 m 时，煤柱所 受压力出现双峰状态，说明此时煤柱内部出现能够 保持较高的承载能力，保证围岩不破坏，并且煤柱 宽度越大双峰距离越大，煤柱越稳定。 由图 3 分析可以得出，不同宽度煤柱在掘进和 回采期间，以 15 m 煤柱宽度为界，垂直应力峰值 先增大后减小。但在煤柱宽度小于 5 m 时，塑性区 贯穿整个煤柱， 巷道难以维护 ； 煤柱宽度大于8 m时， 并未出现应力骤降现象， 说明只要煤柱宽度大于8 m， 432020 年第 9 期 付 晓复杂地质条件下综放区段煤柱优化 煤柱就能够保持较高的承载力保证其稳定。 （a）5 m （b）8 m （c）10 m （d）15 m （e）20 m （f）25m 图 3 不同宽度煤柱回采阶段垂直应力曲线 3.1.2 巷道围岩变形特征 （1）5102 机巷掘进时巷道围岩位移 对模型进行切片处理，截取模型巷道附近的垂 直位移云图和水平位移云图，通过不同煤柱宽度下 的位移云图判断巷道围岩变形的整体趋势及范围。 5102 机巷掘进时，提取巷道垂直位移值和水平位移 值，巷道最大变形量如表 1 所示。 表 1 掘进期间巷道最大变形量 煤柱 宽度 /m 掘进期间巷道表面最大变形量 /mm 实体 煤帮 煤柱帮 两帮 移近量 顶板底板 顶底 移近量 511020031011162173 810619630210756163 1010519129610653159 159717327010246148 20921652579542136 25901472379240132 由表 1 可知，受已回采的 5101 工作面影响及 沿空巷道掘进的影响，当煤柱宽度为 5 m 时，塑性 区贯穿整个煤柱，巷道难以维护；随着煤柱宽度的 增加，受影响范围越来越小，巷道两帮及顶底板变 形量逐渐减小；在煤柱宽度大于 15 m 时急剧变小， 并最终趋于稳定。同时根据数据对比，掘进期间巷 道管理重点在煤柱帮及顶板。 （2）5102 工作面回采时巷道围岩位移 5102 工作面回采时，取工作面超前 10 m 处的 位移情况进行分析。表 2 为回采期间留设不同宽度 煤柱情况下巷道表面最大变形量。 由表 2 可知，回采时的变化趋势和掘巷阶段相 同，但受采动影响，其变形量较掘巷阶段大，煤柱 帮及顶板仍是管理重点。当煤柱宽度为 5 m 时，塑 性区贯穿整个煤柱，巷道难以维护，随着煤柱宽度 付 晓复杂地质条件下综放区段煤柱优化 442020 年第 9 期 4 应用效果 13072 巷采用管棚预支护 预注浆通过陷落柱 后，分别对巷道围岩应力和顶底板、两帮移近量进 行对比监测。监测结果表明，工作面进入陷落柱后， 巷道变形进入加速阶段，随后逐渐趋于收敛，在矿 压监测周期一个月内收敛量达到稳定，破碎带围岩 自稳。顶底板最大平均移近量为 217 mm，两帮收 敛量为 133 mm，顶底板移近量均大于两帮收敛量。 （上接第 40 页） 的增加，变形量逐渐减小并最终趋于稳定。结合巷 道围岩的应力应变情况，煤柱宽度＞ 8 m 时，能够 满足安全生产需要， 通过数值模拟煤柱宽度取8 m。 表 2 回采期间巷道表面变形量 煤柱 宽度 /m 掘进期间巷道表面最大变形量 /mm 实体 煤帮 煤柱帮 两帮移 近量 顶板底板 顶底移 近量 516324540815665221 815723939615060210 1015223438614957206 1514321335614349192 2013620033613244176 2513217931112741168 3.2 基于极限平衡理论的窄煤柱尺寸优化 煤层应力极限平衡区范围内的煤层界面应力为 0 2tan tantan x mi y PCC e ϕ β σ ϕβϕ  −   （2） 0 2tan tan x mi xy P Ce ϕ β ϕ τ β  −   （3） 由上述两式，可得平衡区宽度 X0 0 tan ln 2tan tan i C K H m X PC γ βϕ ϕ ϕβ       （4） 式中 σy- 正应力，MPa； τxy- 剪切应力，MPa； m- 煤层平均采厚，m； β- 测压系数，βμ/（1-μ），μ 为泊松比。 合理煤柱宽度 B 的计算公式为 BX1X2X3 （5） 式中 X1- 煤柱的塑性区宽度，即为极限平衡区宽度 X0，m； X2- 帮锚杆有效长度，m； X3- 煤柱宽度富余量，其值为（0.30.5） （X1X2），m。 5102工作面煤厚平均为6.4 m， 泊松比为0.28， 侧压系数为 0.54，岩层平均容重为 25 kN/m3，巷道 埋深 400 m，锚杆的支护阻力为 0.25 MPa，经计算 X14.1 m。 帮锚杆有效长度 X21.8 m。 X3（0.30.5）（4.11.8）1.83 m。 由 以 上 计 算 可 以 得 出， 合 理 煤 柱 宽 度 B7.78.9 m。 3.3 区段煤柱的确定 根据建立的复杂地质条件下综放区段煤柱在掘 进和回采期间的数值模型，模拟出了不同煤柱宽度 下的巷道应力应变情况，得出煤柱宽度为 8 m，基 于极限平衡理论计算得出的合理宽度为 7.78.9 m， 在考虑经济效益的情况下，确定煤柱宽度为 8 m。 4 结束语 锦瑞煤业以 5 号煤区段煤柱为试验对象，在 理论研究的基础上，运用数值模拟，模拟出不同 煤柱宽度下的巷道在掘进及回采期间的应力应变 情况，得出煤层宽度为 8 m，结合理论计算的合理 宽度 7.78.9 m，最终确定煤柱宽度为 8 m。锦瑞 煤业每年有近 2000 m 的沿空巷道，相比按经验留 设的 25 m 煤柱，优化后每年可多回采近 30 万 t 煤， 在满足安全回采下取得了可观的经济效益，沿空 煤柱尺寸的研究模式可以在同类条件下推广应用。 【参考文献】 ［1］ 张川，左永江，杨春满 . 水平管棚超前支护施工 技术的研究与应用[J].煤炭科学技术， 2000 （11） 36-38. ［2］ 刘发志，朱本斌 . 管棚支护在煤巷施工中的应用 分析 [J]. 煤矿现代化，2012（04）73-75. ［3］ 朱本斌，程发祥 . 管棚支护在软岩巷道施工中的 应用分析 [J]. 山东煤炭科技，2012（04）13-15.