区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究.pdf

第 2 4卷 第 3期 2 0 0 7年 O 9月 J o u r n a l 采矿 与 安全 工程学报 o f Mi n i n g ＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo1 ．2 4 No ． 3 Se p ． 2 00 7 文 章 编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 7 0 3 0 3 7 0 0 4 区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究 韩承 强，张开智 ，徐小兵 ，李大勇 ，解 品洲 山东科技大学 矿山灾害预防控 制省部共 建教 育部 重点实验 室，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 摘要 为 了防止 煤柱 冲击地 压现 象 、 改善 工 作 环境 并提 高 回采 率 ， 采 用现 场观 测 法 ， 分析 了沿 空 掘巷 小煤柱 以及 工作 面煤体 内应 力 变化 、 超前 支承 压 力的影 响范 围 ， 以及 小煤 柱煤 巷 变形破坏规 律， 并通过数值模拟分析 了4种不同宽度煤柱 的塑性 区变化 范围． 结果表 明， 煤柱的破坏情况受 煤柱 宽度影 响较 大． 小煤柱 外边缘 ， 即临近 上 区段 采 空 区部 分 受 回采 影响 已基 本呈 塑性 状 态； 内 边缘即靠近本区段煤体部分 ， 在距工作 面 4 m 左右开始进入 塑性破坏状态； 煤柱 宽度在 6 ～8 m 之 间时 中部 存在 一定 范 围弹性核． 适合 崔庄 煤矿条 件合 理 区段 煤柱 宽度 应为 6 ～8 m． 关键词 沿 空掘 巷 ；变形 ；区段 煤柱 ；数值 模拟 中图分 类号 TD 8 2 1 文 献标识 码 A S t u d y o n Fa i l u r e Re g u l a r i t y a n d Re a s o n a b l e Di me n s i o n o f Di s t r i c t S u b l e v e 1 S ma l 1 Co a 1 Pi l l a r H AN Che n g q i a n g，ZH ANG Ka i z hi ，XU Xi a o b i ng，LI Da y o ng，XI E Pi n z h ou Ke y La b or a t or y of M i n e Di s a s t e r Pr e v e nt i on a nd Con t r ol ，Sh a nd on g Uni v e r s i t y of S c i e n c e a n d Te c h no l o gy， Qi n g d a o ，S h a n d o n g 2 6 6 5 1 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r e v e n t r o c k b u r s t o f c o a l p i l l a r s f r o m t a k i n g p l a c e ，i mp r o v e wo r k i n g c o n di t i o ns，a n d i nc r e a s e r e c ov e r y r a t i o，t he s t r e s s c ha n ge wi t hi n s m a l l c o a l pi l l a r s a n d c o a l s e a ms of wor ki n g f a c e wa s i nv e s t i ga t e d b y i n s i t u o bs e r v a t i on ． Ac c or d i ng t o t he ob s e r v a t i on d a t a，t he i nf l u e n c i ng s c op e of a dv a n c i n g a bu t me nt a nd t h e de f o r m a t i o n a n d f a i l u r e r u l e of e nt r y d r i v i n g a l o n g g o b s i d e we r e a n a l y z e d ．Th e v a r i a t i o n r a n g e o f p l a s t i c a r e a o f 4 d i f f e r e n t c o a l p i l l a r wi d t h s we r e a l s o o bt a i n e d by nu m e r i c a l s i mul a t i on ． Th e r e s u l t s s h ow t ha t t he d e s t r u c t i o n o f a s ma l l c oa l pi l l a r i s gr e a t l y a f f e c t e d b y i t s wi dt h．Th e ou t e dg e o f p i l l a r ，na m e l y t h e a r e a ne a r t he pr e v i ou s di s t r i c t s u bl e v e l g o a f ，h a s a l r e a dy b e e n r e a c he d t he pl a s t i c s t a t e ．Ano t he r e d ge o f t he pi l l a r ，n a me l y t h e a r e a n e a r t h e c u r r e n t d i s t r i c t s u b l e v e l s e a m wh e r e t h e d i s t a n c e f r o m wo r k i n g f a c e i s 4 m wi l l r e a c h t he pl a s t i c s t a t e u nd e r t he e f f e c t of m i ni n g．Th e r e ha s a c e r t a i n l i mi t of e l a s t i c i t y c or e i n t h e mi d dl e of t he c oa l p i l l a r whe n i t s wi d t h i s 6 ～ 8 m ．So t he r e a s o n a bl e wi dt h o f d i s t r i c t s u b l e v e l s ma l l c o a l p i l l a r s u i t a b l e f o r Cu i z h u a n g c o a l mi n e s h o u l d b e 6 ～ 8 m． Ke y wo r ds g ob s i d e e n t r y d r i v i ng；de f o r m a t i o n；di s t r i c t s u bl e v e l c o a l p i l l a rnu me r i c a l s i m u l a t i o n 回采巷道一侧 的区段煤柱用于隔离采空区和 维护巷道 ， 煤柱是支撑作用主体， 所 以煤柱的变形 破 坏规 律对 顶 板 岩 层 的 控 制 有 很 大 影 响． 研 究 表 明 ， 煤 柱尺 寸 的大小影 响到 回采 巷道受 动压 破 坏 的程度 ， 是影响回采巷道围岩稳定性的主要因素之 一 ．回采巷道 的稳 定性 与护 巷煤柱 尺寸 有很 大的关 收稿 日期2 0 0 6 0 9 0 7 基金项 目山东省重大科技专项项 目 2 0 0 6 GG1 1 0 8 0 8 4 作者简介韩承强 1 9 8 2 一 ， 男， 山东省淄博市人 ， 硕士， 从 事矿 山压力与岩层控制方面的研究 E - ma i l h a n e h e n g q 8 s i n a ． c o rn． c n T e l 0 5 3 2 8 6 0 5 7 7 4 8 维普资讯 第 3 期 韩承强等 区段小煤柱破坏规律及合理尺 寸研究 3 7 1 系， 合理煤柱尺寸的确定是巷道支护设计的重要部 分． 合理的煤柱尺寸不仅可以减小巷道的变形 ， 减 小巷道维护工程量， 而且还可 以减少煤炭资源损 失 ． 国 内外 学者 对 煤 柱合 理 尺寸 确定 的方 法进 行 了很多研究， 主要集 中在L 2 ] 1 对大量实测结果 的数 理统计 、 归 纳推理 得 出不稳定 围岩条 件 下护巷 煤柱尺寸 ； 2 运用矿山压力规律 留设各种煤柱 的 方法及经验公式 ， 对煤柱合理 的尺寸进行分析； 3 用现场实测煤柱支承压力分布方法分析给 出煤层 回采巷道的合理煤柱宽度范 围； 4 用有限元计算 软件对煤柱护巷的围岩变形进行计算分析 ， 确定煤 柱合理尺寸； 5 根据岩体 的极 限平衡理论推导出 护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式 ； 6 从 理论上推导出了三维应力状态下估算煤柱塑性区 宽度 的理 论公式 ． 近年来美国矿业局采用大量现场煤体应力测 试和有限元模拟结合 的方法 ， 并重视对过去煤柱实 例进行综合分析来确定煤柱尺寸， 这应该是使煤柱 设计趋于合理的一种方法． 本文正是基于这种思想， 通过现场实测数据与有限元模拟相结合的办法来确 定适合崔庄煤矿现有条件的合理区段煤柱宽度． 1 工作面概 况 2 3 上1 1工作面 回采 3 上层煤 ， 通过 2 3 上0 g工 作面 回采 、 2 3 L 1 1掘进实际揭露和地质资料分析 证实 ， 该工作 面范 围内， 3 L层煤赋存稳定， 全 区可 采， 煤层厚度在 3 ． 2 ～4 ． 6 m之 间， 平均 3 ． 7 m． 工 作面走向长 8 5 6 m， 倾 斜长 1 4 8 ． 5 m， 地面标 高 3 3 ． 6 m， 井下标高一3 7 2 ～一4 3 6 m． 2 3 L 1 1工作面 与 2 3 上O g工作面间的区段煤柱宽度为 4 m． 工作 面煤层顶 、 底板情况详见表 1 ． 表 1 工作面煤层顶底板情 况 Ta bl e 1 The r o o f a nd flo o r c on di t i o n of c o al s e a m i n wo r ki n g f a c e 本文 中分 析 的沿 空巷 道较 一 般 的沿 空 巷 道有 所不同， 由于煤矿 巷道布置 的历 史原 因， 前 5 5 m 全部在实体煤 中掘进 ， 而 5 5 m后开始真正地沿空 掘进 ． 2 测 区布置 本次共设计 3个观测测区， 分别对应观测沿煤 柱宽度方向应力分布 、 煤体内超前支承压力分布规 律以及巷道变形情况． 测区布置如图 1 所示． ‘‘‘‘‘ 73 4 5 6 断面测点 l 2 聊皿阳点 澹 鞋 H 高 图 1 煤柱 留设及测区布置 Fi g ． 1 Th e a r r a n g e me n t o f c o a l p i l l a r a nd obs e r v a t i on a r e a s 通过在煤柱和工作面煤体内打钻孔 ， 在钻孔孔 底安装测力计观测随工作面推进煤体内的应力变 化规律 ． 钻 孔 直 径 4 2 mm， 采 用 KS E - Ⅱ- 1应 力 测 力计 ， 与 KS E - Ⅱ钢弦测力计配套使用， 测量区段煤 柱内和煤体 内的应力分布． 1 区段 煤 柱应 力 测 区 在 区段 煤柱 内距 离 工 作面 3 7 m开始每隔 4 m布置一个测点 ， 共 4个 ， 测 点孔 深分 别为 1 ． 0 ， 1 ． 5 ， 2 ． 0 ， 2 ． 5 m． 2 工作面煤体内测 区 在实体煤 内距工作面 3 7 m开始每隔 4 m布置一个测点 ， 共 5 个 ， 测点孔 深分 别为 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 m． 3 巷 道 内 针对 煤柱 留设 的特殊情 况 ， 在 巷道 内共 布 置 了 7个 断 面， 全程 监 测 了从距 开切 眼 2 0 m到 9 5 m 一 段 巷 道 顶 底 、 两 帮 的 变 形 情 况 ， 从 而得 到巷 道变 形破坏 规律 ． 3 小煤柱 内应力变化规律 3 ． I 煤体 内超前支 承压 力分析 根据实测结果可绘制出煤体内各测点应力随 着距工作面距离变化关系曲线． 图 2所示为煤体 内 维普资讯 3 7 2 采矿 与安 全工程学报 第 2 4 卷 4 ， 6 m 测点 的观测结 果． 时 6 室4 0 8 4 o ．4 图 2 煤体内应 力与工作 面距 离变化关 系 Fi g． 2 The r e l a t i ons hi p be t we e n s t r e s s i n c oa l b ody a n d t he d i s t a nc e of wor ki ng f ac e 分析可知 在距工作面较远时煤体基本处于弹 性状态， 并且具有较高承载能力 ， 随着工作面推进 ， 支承压力达到高峰， 随后煤体逐渐破碎 ， 承载能力 下降 ， 直至完全失去承载能力． 如孔深 3 ， 4 ， 5 m 测 点煤体应力快速下降时与工作面距离分别为 8 ， 7 ， 5 m． 可见 ， 煤体 内受采动明显影响在距工作面 O ～ 8 m 范围 内． 孔深为 6 m 的测点压力高峰位置在距工作面 5 m处 ， 小 于 5 m 以后 ， 应力值急剧 下降并出现负 值 ， 原因是工作面顶板沿侧向方 向的断裂运动， 导 致顶板“ 反弹” 引起的应力下降， 由此判断顶板侧向 断裂位置处于煤体 内 6 m左右． 3 ． 2 煤柱 两侧边 缘应 力分布 规律 根据观测结果绘制成煤柱 内测点应力随工作 面距离变化关系 ， 图 3所示为孔深 1 m 与 2 ． 5 m测 点应力随工作面推进观测结果． 6 4 妻 z 0 ．I 距工作面距离， m a I m测点 -4 o 8 l 6 2 4 3 2 4 0 4 8 距工作面距离， m b 2 ．5m测点 图 3 煤柱 内应 力与工作面距离变化关系 Fi g． 3 Th e r e l a t i ons hi p b et we e n s t r e s s i n c o a l p i l l a r a n d t he di s t a n c e o f wor k i n g f a c e 分析可知 煤柱边缘受采动影 响较大， 破坏严 重． 工作面推进至距测点 4 m 时， 孔深 1 m测点应 力值急剧降低 ， 表明此处煤柱破坏严重 ； 距工作面 3 2 m 时， 孔深为 2 ． 5 m测点应力值降到几乎为零， 表明此处煤柱不能承受支承压力． 而煤柱 中部虽然 会随着工作面推进缓慢进入塑性状态， 但是一直能 保持较高应力水平． 如孔深 1 ． 5 ， 2 m测点， 只有 当 工作面推进至 1 m左右时 ， 煤柱才开始破坏． 综上所述 ， 可以将上述观测与分析结果用图示 的方式直观地表示 出来 ， 如图 4所示． 图中不同区 域的煤柱其破坏状态不一样 ， 沿煤柱厚度方向可分 为 如下 3个破 坏 区域 I c 工 作 面 采空 区 1 n 【 l A ’ l 区段煤柱 B 区 I ／一 C区 图 4煤 柱破 坏分 区不 意 图 Fi g． 4 Th e s ke t c h ma p o f de s t r o yi n g a r e a o f c oa l pi l l a r A区 工作面侧 ； 未受采动影响时处于完整状 态 ， 受采动 影 响后 随 即处 于塑性 并严重 破坏 ． B区 煤 柱 中部 未受 采动影 响 时处 于完 整状 态 ， 受 采动 影 响后 进 人塑性 状 态并有一 定 的承 载能 力 ， 破坏不严重． C区 采空 区侧 由于受上 工作面 回采 的影 响 ， 未 受 2 3 上1 1 采 动影 响时 即处于严 重破 坏状 态． 3 ． 3 巷道 变形破 坏 规律 巷道变 形 实测结 果见 表 2 ． 表 2 实测巷道断面变形结果 Tab l e 2 Th e d e f o r ma t i o n d a t a o f e nt r y s e c t i o n 注 M 为 累计 最 大 变 形 鞋 ； R 为 变 形 量 明 显 增 大 范 围 通 过表 中数 据可 以看 出 1 在实体煤巷道 中顶 、 底板变形量大于两帮 ， 而在沿空掘进巷道中情况正好相反， 但不管是巷道 顶 板 、 两帮 的变形 量 还 是 变 形速 度 ， 沿空 掘巷 均 大 于实体煤 巷 道． 2 实体煤巷道 中顶、 底板及两帮变形相差不 大 ； 而在 沿 空掘进 巷 道 中 由于小 煤 柱 松散 破 碎 ， 因 ∞ m 躏 ；番 面m 酢 寸 距 勰 的 惭 舡 维普资讯 第 3期 韩承强等 区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究 3 7 3 而两帮变形明显大于顶 、 底板变形 ， 前者为后者的 1 ． 6 ～2 ． 7 倍． 根据现场实际观察在距工作 面 2 0 IT I 左右 巷 道 开始产 生变形 ， 随 着工作 面推进 巷道 变形 急剧增 大 ， 巷道超前支护的工字钢破坏严重 ， 在超前巷道 内需要进行“ 卧底” 才能保证足够的工作空间， 此时 的巷道变 形 已影 响 了正常 的采煤 工作． 这说 明 留设 4 I T I 煤柱的巷道已不能满足现场生产的需要． 4 数值模拟 1 模型模 拟几何 尺 寸 水平 方 向 1 0 0 r n ， 垂直 方 向 7 2 r n ． 2 模 型 边 界 条件 模 型 右 边 界为 工 作 面倾 斜 长度的中部， 左边界为采空区下部 ， 下边界为老底 1 7 m砂岩， 这 3个边界离工作面较远 ， 故均设计为 固定边界 ， S 一0 ， S 一0 ； 模型上边界为应力边界 ， 经 计算加 载应 力 q 一8 ． 6 8 MP a ． 3 方案设计 本次计算在其他条件不变的情 况下计算分析不同宽度时煤柱破坏状况， 共设计了 4个计算模型 ， 分别模拟宽度为 4 ， 6 ， 8 ， 1 0 I T I 时煤 柱 的破坏情 况． 计算结果如图 5 所示． 一 ■ ■ ■ c 8m d 1 0m 颜色由浅及深表示塑性开展区范围分剐为 1 0 0 ％，6 7 ％， 3 3 ％， 0 图 5 不同宽度时煤柱破坏意图 Fi g ． 5 Th e d e s t r o y i n g ma p o f c o a l p i l l a r wi t h d i f f e r e n t wi dt h 由图 5分析得到不同宽度时煤柱破坏规律 1 ’煤柱 宽度 为 4 m 时 ， 塑性 开 展 区贯 穿 整个 煤柱 ， 煤柱沿煤层面方向和层面法向方向几乎完全 破坏 ， 此时煤柱内基本不存在弹性 区， 煤柱强度急 剧降低 ， 不能有效保证工作空问及生产安全； 煤柱 宽度为 6 m 时， 煤柱沿煤层面方 向有一半左右未 发生破坏 ， 沿层 面法向方向破坏较大， 但是塑性开 展 区 占煤 柱宽 度一 半 左 右 ， 没 有 贯穿 整 个 煤 柱 ， 此 时煤柱内存在一定范围的弹性核 见 图 4 ， 可以有 效保持巷道围岩的稳定性． 2 煤柱 宽度 为 8 IT I 时 ， 煤 柱 沿煤 层 面 方 向破 坏较 小 ， 而沿层 面 法 向 方 向只 有 少 量破 坏 ， 塑 性 开 展 区只在 煤 柱边 缘 附近 ； 当煤柱 宽 度大 于 8 I T I 时 ， 煤柱越 宽 ， 煤柱 未 被破 坏 的范 围 就越 大 ， 法 向破 坏 高度就越低， 因此煤柱就越稳定． 5 结 论 1 通过实测研究发现 ， 沿空掘巷小煤柱两侧 边缘部分受采动影响较严重， 且沿空侧比巷道侧边 缘破坏更早更严重 ， 但是若煤柱宽度合适会在其 中 部存在一定范围的弹性 区域． 2 顶板侧向断裂位置位于煤体 内 5 ～7 I T I 之 间 ， 断裂位置附近煤体破坏严重． 3 通过数值计算及理论验证得出合理煤柱宽 度为 6 i n ． 与 8 i n ． ， 此时煤柱较稳定， 巷道变形与破 坏程度低 ， 建议矿方将合理 区段煤柱宽度扩大到 6 ～ 8 I T I 之 间． 参 考文献 [ 1 ] 张开智 ， 夏均 民， 蒋金 泉．钻 孑 L 煤 粉量 变化规律 在 区 段煤柱合理参数确定中的应用 [ J ] ．岩石力学 与工程 学报 ，2 0 0 4 ， 2 3 8 1 3 0 7 1 3 1 0 ． ZHANG Ka i - z h i ， X1 A J u n - mi n，j l ANG J i n - q u a n ． Va r iat i o n l aw o f q ua n t i t y o f c o a l dus t i n dr i l l ho l e a nd i t s a ppl i c a t i o n t O de t e r mi na t i on o f r e as on a bl e wi dt h of c o a l p i l l a r [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a nd Eng i ne e r i n g，2 0 04， 2 3 8 1 3 07 1 31 0． [ 2 ] 翟所业 ， 张开智．煤柱中部弹性 区的临界宽度口] ．矿 山压力与顶板管理 ，2 0 0 3 ， 2 0 4 1 4 - 1 6 ． ZHAI Su o - y e， ZHANG Ka i z hi ． The c r i t i c a l wi dt h o f mi dd l e e l a s t i c ar e a of t he c o a l pi l l a r t O s a f e gu a r d wo r k i n g [ J ] ．Gr o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a C o n t r o l ， 2 0 0 3 ， 2 0 4 1 4 1 6 ． [ 3 ] 刘增辉 ， 康天合．综放煤巷合理煤柱 尺寸的物理模 拟 研究E J ] ．矿 山压力与顶板管理 ，2 0 0 5 ， 2 2 1 2 4 2 6 ． LI U Ze ng - hui ， KANG Tian - he ． Nume r i c a l s i mu l a t i on o f p i l l ar pr op e r di me ns i o n i n t h e e nt r y of me c h a ni z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e [ J ] ．G r o u n d P r e s s u r e a n d S t r a t a Co n t r o l ，2 0 0 5， 2 2 1 2 4 2 6 ． [ 4 ] 柏建彪 ， 王卫军 ， 候朝炯 ， 等．综放沿空 掘巷围岩控 制 机理 及支 护 技术 研 究 E J ] ．煤 炭学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 4 34 3 - 3 47 ． B AI J i a n - b i a o ， W ANG We i - j u n， H0U Ch a o - j l o n g，e t a 1 ． Co nt r ol me c ha n i s m a nd s upp or t t e c hn i q ue ab ou t ga t e way dr i ve n a l ong go a f i n f ul l y me c h a ni z e d t op c o a l c a v i n g f a c e [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 00， 2 5 4 34 3 3 47 ． 维普资讯