综放工作面煤柱周围应力分布特征研究.pdf

工矿自动化 Indus t rya nd MineAut o ma t io n Vo l.46 No .10 Oct .2020 第46卷第10期 2020年10月 文章编号文章编号1671-251X202010-0104-06DOI10. 13272/j. issn. 1671251x. 17533 综放工作面煤柱周围应力分布特征研究 刘明曹民远李波 （神华新疆能源有限责任公司屯宝煤矿，新疆昌吉831114） 扫码移动阅读 摘要摘要对高瓦斯及断层赋存的综放工作面来说，合理宽度的留设煤柱不仅可以起到支撑上覆岩层压力的 作用，还能隔绝采空区瓦斯，减少瓦斯扩散。但目前缺乏对不同煤柱合理留设宽度条件下围岩应力分布特征 的研究，同时不同矿井影响煤柱宽度的因素各异，造成煤柱留设宽度的计算依据难以准确确定。针对上述问 题，以屯宝煤矿综放工作面M910煤层为工程背景，采用理论计算方式得到煤柱留设宽度的最小值，采用数值 模拟方式对M910煤层不同宽度的煤柱周围应力分布特征进行研究研究结果表明煤柱的合理留设宽度为 30〜40 m；煤柱内的水平应力随着煤柱宽度加大趋向于采空区侧，说明加大煤柱宽度可以转移水平应力对 巷道的影响，从而提高巷道稳定性；煤柱垂直应力具有双波峰特征，巷道侧和采空区侧垂直应力峰值与应力 集中系数均随煤柱宽度的加大而降低；巷道侧应力峰值在距巷道2. 5 m处，之后随着距巷道距离的增加，垂 直应力先急速减小，然后缓慢增加，在采空区侧出现应力峰值后缓慢减小为验证40 m煤柱宽度的合理 性，在该综放工作面进行钻孔应力及瓦斯浓度现场监测，结果表明，40 m煤柱留设宽度能够满足巷道支护强 度和瓦斯扩散实际要求。 关键关键词煤炭深部开采；综放工作面；巷道支护；瓦斯管控；留设煤柱；煤柱宽度；小煤柱；围岩应力 分布 中图分类号TD713 文献标志码A Resea rch o n st ress dist ribut io n cha ra ct erist ics o f co a l pi la r in f u ly mecha nized ca v ing f a ce LIU Ming, CAO Minyua n, LIBo Tunba o Co a l Mine o f Shenhua Xinjia ng Energy Co . , Lt d. , Cha ngf i 831114, China Abstract Fo r f ully mecha nized ca v ing f a ce wit h high ga s a nd f a ult o ccurrence, co a l pilla r wit h rea so na ble reserv ed widt h ca n no t o nly suppo rt o v erlying st ra t a pressure, but a lso iso la t e ga s in go a f a nd reduce ga s dif f usio n. Ho wev er, t here is a la ck o f resea rch o n dist ribut io n cha ra ct erist ics o f surro unding ro ck st ress under t he co ndit io n o f rea so na ble reserv ed widt h o f dif f erent co a l pilla rs a t present , a nd it is dif f icult t o a ccura t ely det ermine t he ba sis f o r ca lcula t ing reserv ed widt h o f co a l pilla rs beca use f a ct o rs a f f ect ing co a l pilla r widt h in dif f erent mines a re dif f erent . Fo r t he a bo v e pro blems, t a king M9-10 co a l sea m o n f ully mecha nized ca v ing f a ce o f Tunba o Co a l Mine a s engineering ba ckgro und, t he minimum widt h o f co a lpila riso bt a inedbyt heo ret ica lca lcula t io nWa ndst ressdist ribut io ncha ra ct erist icsa ro undco a lpila rs wit h dif f erent widt h a re st udied by numerica l simula t io n. The result s sho w t ha t rea so na ble co a l pilla r widt h is 30-40 m； ho rizo nt a l st ress in co a l pilla r t ends t o go a f side wit h t he increa se o f co a l pilla r widt h, which v erif ies t ha t t he increa se o f co a l pilla r widt h ca n t ra nsf er inf luence o f ho rizo nt a l st ress o n ro a dwa y, so a s t o impro v e ro a dwa y st a bilit y; v ert ica l st ress o f co a l pilla r ha s cha ra ct erist ics o f do uble wa v e pea ks, a nd t he v ert ica l st ress pea k a nd st ress co ncent ra t io n co ef f icient a t ro a dwa y side a nd go a f side decrea se wit h t he increa se o f co a l pilla r widt h; lo ca t io n o f st ress pea k a t ro a dwa y side is 2.5 m a wa y f ro m t he ro a dwa y, 收稿日期收稿日期2019-11-29;修回日期修回日期 2020-08-20 f ully mecha nized ca v ing f a ce; ro a dwa y suppo rt; ga s co nt ro l; reserv ed co a l pilla r; co a l pilla r widt h; sma ll co a l pilla r; surro und ro ck st ress dist ribut io n 0引言引言 随着煤矿开采深度的增加，在深部高地应力、复 杂构造条件等因素作用下，巷道变形越发严重，诱发 煤岩动力灾害，威胁煤炭安全回采「T。留设煤柱是 煤矿传统的护巷方法之一，合理宽度的留设煤柱能 与支护结构体及巷道围岩形成具有一定承载能力的 支护整体，特别是对高瓦斯及断层赋存的综放工作 面来说，不仅可以起到支撑上覆岩层压力的作用，还 能隔绝采空区瓦斯，减少瓦斯扩散囚，对于保障工作 面安全具有重要意义。 一些学者开展了煤柱留设宽度的理论研究和实 践应用底板为灰黑色粉砂岩或泥岩，饱和状态下单 向抗压强度为1. 29〜31. 30 MPa ,平均为 15.06 MPa ,为不稳定底板。受地应力、构造应力与 采掘活动等因素的影响,巷道变形量较大,瓦斯赋存 量大。经测定,矿井相对瓦斯涌出量为3. 8m3/t , 绝对瓦斯涌出量为15. 83 m3/min ,采煤工作面绝对 瓦斯涌出量为11 84 m3/min ,属于高瓦斯矿井。 在M9“煤层共布置1191,1192,1193三个综放 工作面,采用长壁走向综采放顶煤采煤方法,一水平 工作面采用上行开采。首采工作面为1191综放工 作面。3个综放工作面分别由13,40 m留设区段煤 柱隔开，如图1所示。1191,1192,1193综放工作面 倾斜长度分别为147,196,132 m ,回采走向长度分 别为1 100,1 180,1 250 m ,平均仰角为18。 图1 M9-10煤层回采工作面布置 Fig. 1 La yo ut o f wo rking f a ce o f M9_i0 co a l sea m 2煤柱留设宽度柱留设宽度理论计算论计算 2. 1 煤柱宽度理论公式 M9“煤层综放工作面煤柱一侧为采空区,一侧 为工作面巷道,采空区与工作面巷道在煤柱两侧形 成各自的弹性区。区段煤柱保持巷道稳定的基本条 件煤柱两侧产生弹性变形后,在煤柱中央存在一定 宽度的弹性核，弹性核宽度不小于煤柱高度的 2倍“⑷。考虑瓦斯的影响,煤柱宽度的最小值为 Bmin i0 2力1] 1 式中10为采空区侧弹性区宽度，mU为采煤高度, m；n为巷道侧弹性区宽度，m。 以Mo hr-Co ulo mb为屈服准则得到采空区侧和 巷道侧弹性区宽度公式 10 U I 0 K1 yH “nePb0 2 □ B0 7G sn q ⑶ 式中“为三轴应力系数,“1 s in/1 s in, cp为内摩擦角,为煤层与顶底板接触面的摩擦 106 ・工矿自动化第46卷 因数a n /4 /4 0为水平主应力，MPa；K1为 力集中系数;，为覆岩 ,pg 为覆岩密度, , kg/m3M为重力加速度，m/s2 ；H为埋深，m；Pb为 石干石约束力，MPa.为弹性区宽度修正系数，取值 参考表1B1为巷道的截面半径，m；G为巷道支护 力，MPa。 表1矩形巷道弹性区宽度修正系数 Ta ble1 Co rrecio nco eficieno f pla s iczo ne widt h o f rect a ngula r ro a dwa y 巷道宽高比 0. 75〜1.5 10煤层的2个综放工作面煤柱宽度进行了理论 计算与数值模拟，确定了屯宝煤矿M910煤层煤柱的 合理宽度范围为30〜40 m。 2 数值模拟结果表明煤柱内的水平应力随 着煤柱宽度加大趋向于采空区侧，加大煤柱宽度可 以转移水平应力对巷道的影响，从而提高巷道的稳 定性；煤柱侧垂直应力具有双波峰特征，巷道侧和采 空区侧垂直应力峰值与应力集中系数均随着煤柱宽 度的加大而降低；巷道侧应力峰值在距巷道2. 5 m 处，随着距巷道距离增加，垂直应力先急速减小，然 后缓慢增加，采空区侧出现应力峰值后呈缓慢减小 趋势。 3 1193综放工作面围岩钻孔应力与瓦斯监 测数据表明，合理的煤柱留设宽度能够满足巷道支 护强度和瓦斯实际扩散需求。 参考文献References [1] 王国法，范京道，徐亚军，等.煤炭智能化开采关键技 术创新进展与展望[J].工矿自动化，2018,44 2 5-127 WANG Guo f a， FAN J ingda o， XU Ya jun，et l Inno v a t io npro gres sa ndpro spect o nkeyt echno lo gies o f int elligent co a l mining [J ]. 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