沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究.pdf

第 2 3卷第 2 O期 2 0 0 4 年 l O月 岩石力学与工程学报 2 3 2 0 3 4 7 5 3 4 7 9 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 n d E n g i n e e r i n g O c t ． ， 2 0 0 4 沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究宰 柏建彪侯朝炯 黄汉富 中国矿业大学能源科学与工程学院徐州2 2 1 0 0 8 潞安矿 集团 公司王庄煤矿长治 0 4 6 0 3 1 摘要通过数值计算分析，研究了综放沿空掘巷囤岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支 护强度之间的关系，提出一个新观点，即高强度锚杆支护的窄煤柱是沿空掘巷围岩承载结构中的一个重要组成部 分 ，并针对不 同煤层条件确定了相应 的窄煤柱合理宽度，并将 研究结果成功地应用于工程实践。 关键词巷道工程，沿空掘巷，窄煤柱宽度，煤层强度，锚杆支护 分类号T D 8 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 4 2 0 ． 3 4 7 5 ． 0 5 NUM EI UCAL SI M ULATI oN S TUDY oN STABI LI TY oF NARRoW CoAL PI LLAR oF RoADⅥ，AY DRI Ⅵ NG ALoNG GoAF B a i J i a n b i a o ，Ho u C h a o j i o n g ，Hu a n g H a n f u ’ C o H e g e o fMi n e r a l a n dE n e r g yR e s o u r c e s ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n ga n dT e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 C h i n a 2 W a n g z h u a n gC o l l i e r y o f L u a n Mi n i n g G r o u p C o ． ，C h a n g z h i 0 4 6 0 3 1 C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h n u me r i c a l c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s ，t h e r e l a t i o n s h i p a mo n g t h e s t a b i l i t y o f n a r r o w c o a l p i l l a r ， t h e r o c k d e f o r ma t i o n o f r o a d wa y d r i v i n g a l o n g n e x t g o a f i n f u l l y me c h a n i z e d c a v i n g f a c e ，t h e s t r e n g t h o f b o l t s u p p o rt，t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y o f c o a l s e a m a n d t h e p i l l a r wi d t h i s s t u d i e d ． I t i s p r o p o s e d t h a t t h e n a rro w c o a l p i l l a r s u p p o rt e d b y h i g h - s t r e n g t h b o l t s i s a n i mp o r t a n t c o mp o n e n t i n t h e r o c k b e ari n g s t r u c t u r e o f r o a d wa y d r i v i n g a l o n g n e x t g o a f ，a n d a c c o r d i n g t o v a rio u s c o n d i t i o n s o f t h e c o a l s e a ms ，t h e r a t i o n a l wi d t h o f t h e c o rre s p o n d i n g n a rro w c o a l p i l l a r i s d e t e rm i n e d ． Th e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o e n g i n e e r i n g p r a c t i c e． Ke y wo r d s t u n n e l l i n g e n g i n e e r i n g ，d r i v i n g r o a d wa y a l o n g g o a f , wi d t h o f n a r r o w p i l l a r ， c o a l s e a m s t r e n g t h， b o l t s u p p o rt 1 前言 近几十年来，国内外对沿空掘巷开展了大量的研 究工作I 卜 1 ， 推动了沿空掘巷技术的发展。 但随着锚 杆支护技术的迅速发展 ，沿空掘巷支护方式由架棚 被动式支护发展为高预紧力、高强度 的锚杆支护 ， 在沿空掘巷围岩结构中窄煤柱的作用及其 自身稳定 性发生了根本性的改变 。对架棚支护沿空掘巷的研 究认为I l l 1 留窄煤柱沿空掘巷 ， 扰动 了侧 向支承 压力分布 ，不仅在掘进期间巷道强烈变形，而且在 掘后稳定期间仍保持较大的变形速度 ； 2 窄煤柱 裂隙发育、甚至破碎， 自身难 以保持稳定，而且， 其支撑作用小，增加了巷道跨度和悬顶距，沿空掘 巷维护困难； 3 对煤柱的合理宽度一直没有统一 的认识，其结论差别较大，从 l ～5 m到 1 5 2 5 m不 等。澳大利亚S C T公司认为D 0 l ，一侧采空后煤体内 的塑性区宽度达到5 ～8 m，如果巷道位于该范围， 2 0 0 3年 1 1 月 2日收到初稿 ．2 0 0 3 年 1 2月 2 8日收到修改稿。 国家自然科学基金重大项E 1 5 0 4 9 0 2 7 3 资助课题。 作者 柏建彪 简介男，1 9 6 6年生，博士．1 9 8 9年毕业子中国矿业大学．现任中国矿业大学副教授，主要从事巷道围岩控制理论与支护技术方面的 的研究和教学工作。E - m a i l b j i a n b 1 6 3 ．c o m。 维普资讯 3 4 7 6 岩石 力学与工程学报 2 0 0 4焦 受采动影响后不能保证巷道和煤柱安全使用 ， 认为 煤柱 宽度应大于 1 5 m，因而，S C T公司不采用沿 空掘巷。由于对窄煤柱的作用及窄煤柱合理宽度认 识不清 ，导致某些应用煤柱维护的巷道支护 困难、 甚至严重制约回采工作面推进 ，因此，研究确定窄 煤柱的作用及其合理宽度具有重要的意义。 2 数值计算模型I n l 在上区段工作面侧向支承压力和本工作面超前 采动支承压力叠加作用下，沿空掘巷的围岩尤其是 窄煤柱裂隙发育、破碎，采用非连续介质模型的离 散元数值计算软件 UD E C 3 ． 0进行数值模拟计算， 分析窄煤柱 自身的稳定性及对沿空掘巷稳定性的作 用。 所模拟的煤层厚度为7 m，其中采高为3 m、放 煤高度为 4 m。 巷道窄煤柱、 实体煤一侧 5 m范围及 顶煤均划分为 0 ． 2 5 mx 0 ． 2 m 宽高 的块体 ，巷道 底板划分为 0 ． 5 mx O ．2 5 m的块体 ， 顶煤上方的直接 顶厚度为 8 m，划分为3 mx 2 m块体，老顶厚度为 6 m， 断裂步距 1 5 m。 模型尺寸 宽 高 2 0 0 mx 4 8 m， 上边界载荷按采深 3 0 0 m计算 ，模型底边界垂直方 向固定，左右边界水平方向固定，建立的数值模拟模 型见图 1 。巷道宽 高为 3 ． 5 m 3 ． 0 m，基本支护参 数锚杆为直径 2 0 mm的高强度螺纹钢锚杆，按杆 单元考虑 ，树脂药卷锚固、锚固长度 1 ． 4 m，顶板锚 杆长 2 ． 4 m，两帮锚杆长 2 ． 0 m。计算时分别考虑煤 柱宽度 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ，1 0 m， 锚杆支护强度 0 ． 1 0 ， 0 ． 2 5 MP a ，煤层力学性质软煤、中硬煤。各岩层 块体力学参数和接触面的力学参数见表 l ，2 。数值 计算过程为原岩应力计算 上区段工作面回采 掘巷 本工作面采动影响计算 。 3 计算结果分析 3 ． 1 煤柱宽度及煤层力学性质对煤柱稳定性的作用 上覆 基 直 直 图 1 沿空掘巷数值模拟模型 单位m F i g ． 1 Nu me r i c a l s i mu l mi o n mo d e l o f r o a d wa y d r i v i n g a l o n g n e x t g o a l u n i t m 表 1 块体力学参数 T a b l e I P a r a me t e r s o f b l o c k s 岩层 体积模量 剪切模量 容重 摩擦角 粘聚力 抗拉强度 ⋯ K ／ GP a G ／ GP a d ／ N m一 ’fl 。 c ／ MP a t ／ MP a 表 2 接触面力学参数 T a b l e 2 Pa r a me t e r s o f i n t e r f a c e s 图 2为不同煤柱宽度及煤层力学性质、距巷道 底板 1 ． 5 m处煤柱层面上的水平位移分布，水平轴 指向采空区，坐标 0点为窄煤柱在巷道 内的起点。 由图 2可见，回采期间煤柱宽度及煤层强度对 煤柱稳定性 的作用为 1 煤层强度增加 软煤至中硬煤 及窄煤柱宽 度的变化，不能改变回采期间沿空掘巷窄煤柱较大 变形的特征。 2 煤柱宽度增大 ，煤柱表面位移量显著增大 ， 故煤柱宽度应较小。软煤煤柱宽度为 6 ～1 0 m时表 面位移量是宽度为 3 , - - 5 m煤柱表面位移量的 1 ． 5 ～ 2倍 以上；而中硬煤煤柱宽度为 5 ～1 0 m时表面位 移量是宽度为 3 ～4 m 煤柱表面位移量的 1 ． 5倍左 右 。 3 煤柱内存在 0水平位移点，软煤煤柱宽度 对 0水平位移点的位置影响较大，而中埂煤煤柱宽 度对 0水平位移点的位置影响不大。 4 根据煤柱表面位移 ，将软煤煤柱宽度划 分 为 2组，表面位移较小的 1 组煤柱宽度为 3 ～5 m， 并且 5 m宽度煤柱中部较稳定，所 以软煤 5 m宽度 维普资讯 第2 3 卷 第2 o 期 柏建彪等． 沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究 ‘ 3 4 7 7 ． 1 O o o 5 o o E O 鎏一 5 0 0 一 1 0 0 0 索 一 l 5 o o ． 2 O o o l 0 0 0 5 o o 蠢0 -- 5 0 0 * 一 1 O o o 一 1 5 0 0 E 醇 ～ * E { 铃 一 m 3 r c l _ | 卜 4 r c l ， - _ - 5 r cl _ I 一 l 6 r c l I ． - 7 r c l _ ． 卜1 O r e l a ‘ ／ 1 - | P I 6 r c 2 _ I 7 r c 2 _ 卜 ． 1 0 r c 2 一 一 奠 d J 前缀数字 3 一煤柱宽度 3 m，其余类推r 一软煤z 一中硬煤c 一回采 期间后缀数字 l 一支护强度 0 l MP a ．2 一支护强度 O 2 5MP a 图 2 回采期间煤 柱层 面水平位移分布 曲线 Fi g ． 2 Di s t r i b u t i o n c u r v e s o f h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t i n b e d d i n g s u r f a c e o f c o a l p i l l a r d u r i n g a c t u a l mi n i n g 煤柱 的稳定性较好 。中硬煤 3 ～4 m 宽度煤柱的表 面位移较小，并且 4 m宽度煤柱中部稳定，所以中 硬煤 4 m 宽度煤柱的稳定性较好 。 5 随煤层强度增大，相同宽度煤柱 的表面位 移减小。 3 ． 2 锚杆支护强度的影响 由图 2可见，回采期间锚杆支护强度对综放沿 空掘巷煤柱位移 的作用具有 以下特征 1 锚杆支护强度增加不能改变回采 期间沿空 掘巷窄煤柱发生较大变形的特征。 2 锚杆支护强度提高对软煤煤柱表面位移 的 控制作用显著大于对中硬煤煤柱的控制作用 。 3 锚杆 支护强度 对不 同宽度 的煤 柱作用 不 同 。支护 强度增加对减 小 3 m 宽度煤柱的变形作 用 较小对减小软煤 4 ～5 m、中硬煤 4 m 宽度煤柱 的变形作用较大。 3 ． 3 沿空掘巷围岩变形规律 不同煤柱宽度 、不同煤层力学性质及不 同支护 强度时的巷道 围岩变形，如图 3所示。 1 顶板下沉① 煤柱宽度增大，软煤巷道顶 板下沉量由大变小 ，再增大，5 m 宽度煤柱顶板下 沉量最小；而中硬煤巷道顶板下沉量随煤柱宽度增 大而增加， 5 ～7 m宽度时达到最大， 然后趋于稳定； 中硬煤沿空掘巷顶板下沉量 受煤柱宽度影响较小 。 ② 锚杆支护强度增加，煤柱宽度小于 5 m 的沿空 翥 。 。。。 _叫 。l 一 3 4 5 6 7 8 9 l o 煤柱宽度／ m a 一 煤柱宽度， m 煤柱宽度／ m c 图 3 巷道围岩变形 F i g ． 3 De f o r ma t i o n o f r o c k s aro u n d r o a d wa y ∞ ∞ ∞ ∞ 0 ∞ ∞ ∞ ∞ 8 6 4 2 2 4 6 8 维普资讯 3 4 7 8 岩石力学与工程学报 2 O O 4 年 掘巷顶板下沉量减小较大，对更宽煤柱的顶板下沉 量减小作用不大。 2 底鼓① 中硬煤巷道底鼓量大于软煤巷道 的底鼓量 。② 软煤巷道底鼓受煤柱宽度及支护强度 影响较小；中硬煤煤柱宽度为 3 ～7 m，巷道底鼓量 随煤柱宽度增大而增加，7 m时底鼓量达到最大。 3 实体煤帮位移 ① 随煤柱宽度增大，软煤 的实体煤帮位移先减小、后增大，4 , - - , 5 m宽度时最 小， 7 m宽度时最大； 中硬煤煤柱宽度为 3 , - - , 5 m时， 随煤柱宽度增大位移量减小，大于 5 m宽度后，位 移量增大。煤柱宽度对软煤实体煤帮的位移影响显 著大于中硬煤。② 锚杆支护强度对软煤巷道的实 体煤帮位移影响较大，对中硬煤巷道的实体煤帮位 移影响较 小。 综上所述 ，综放沿空掘巷的围岩变形与煤柱宽 度 、煤层力学性质及支护强度 的关系为 1 煤柱宽度为 3 ～5 m 时巷道变形量较小，大 于 5 m后巷道变形量较大。 2 煤柱宽度及锚杆支护强度对软煤巷道变形 量的影响，显著大于中硬煤。增加锚杆支护强度可 显著减小宽度为 3 ～5 m 窄煤柱的巷道变形量，对 更宽煤柱的巷道变形量减小的作用不大。 4 工程实践 王庄煤矿 1 3 0 6综放工作面煤层单轴抗压强度 1 5 ～2 0 MP a ，属中硬煤层，倾角 2 ． 0 。 ～6 ． 3 。 ，厚度 6 ． 3 , - - , 7 ． 0 m， 埋深平均 3 5 0 m。 回风巷断面宽 高为 3 ． 5 mx 3 ． 0 m，沿煤层底板掘进。由本文研究结果确 定窄煤柱宽度为 4 m，采用动态系统设计方法确定 锚杆支护参数见图 4 ，锚杆均为 2 o m m的高强度螺 纹钢锚杆 ，项板锚杆长 2 ． 4 m，两帮锚杆长 2 ． 0 m， 树脂药卷加长锚固， 锚杆排距 0 ． 9 m、 支护强度 0 ． 2 5 f 鲤 ．r 中 。 图 4 锚杆布置 图 单位c m F i g ． 4 B o l t i n g l a y o u t u n i t c m MP a ，每隔 2 ．7 m在巷道中部布置 1 根锚索作加强 支护 ，锚索长度 7 ． 0 m。 回采期间巷道围岩变形见图 5 。由图 5可见， 回采 期间顶底板和两帮相对移近量不超过 1 2 0 0 和 1 0 0 0 m m，与数值模拟结果基本相似 ，巷道 围岩 变形得到了有效控制，窄煤柱整体稳定。说明按计 算确定的窄煤柱宽度及锚杆支护参数合理。 l 2 o 0 l 0 0 0 黑8 0 0 蛔6 o 0 4 o o 2 o 0 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 25 0 与回采面距离， m 图 5 回采期间巷道围岩变形 Fi g ． 5 De f o r ma t i o n o f r o c k s a r o u n d r o a d wa y d u r i n g a c t u a l mi n i n g 5 结论 1 采用高强度锚杆支护的窄煤柱具有较大的 支撑作用，是沿空掘巷围岩的一个重要承载结构， 窄煤柱失稳必然导致巷道难 以维护，窄煤柱与顶板 控制同等重要。 2 合理的窄煤柱宽度应能保证巷道变形量较 小、 使煤柱中部能存在位移量较小、 且稳定的部分。 合理的窄煤柱宽度为 软煤 4 ～5 m， 中硬煤 3 ～4 m。 3 提高锚杆支护强度对窄煤柱稳定的作用随 煤层力学性质及煤柱宽度而变化。提高锚杆支护强 度对软煤中宽度为 4 ～7 m 煤柱及中硬煤中宽度 为 4 m煤柱的稳定性作用较大， 对软煤中 3 m宽度 以下煤柱及中硬煤中其他宽度煤柱的稳定性作用较 小提高锚杆支护强度对软煤煤柱稳定性的作用显 著大于对中硬煤煤柱稳定性的作J { j 。 参 考 文 献 i 陈炎光．陆士良．中国煤矿巷道围岩控制【 M】 徐州中国矿业大 学出版社．1 9 9 4 2 陆士 良． 无煤柱护巷的矿压显现[ M】 ．北京 煤炭工业出版社． 1 9 8 2 3 Wi l s o n A N A n h y p o t h e s i s c o n c e rni n g p i l l a r s t a b i l it y [ J ]Mi n i n g E n g i n e e r ， 1 9 7 2 - 6 8 5 9 0 4 Wh i t m k B N． D e s i g n a n d s t a b i l i t y o f p i l l a r i n I o n g wa l l mi n i n g [ J ] M i n i n g E n g i n e e r ， l 9 7 9． I 368 7 2 5 张玉祥 I DS S 和 A N N选择护巷煤柱宽度的研究 博士学位论文J f f J 徐州中国矿业大学，1 9 9 6 维普资讯 第 2 3卷 一 第 2 O期 柏建彪等．沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究 一 3 4 7 9 6 侯朝炯 ．李学华 综放沿空掘巷围岩大 、小结构的稳定性原理[ J 】 ． 煤炭学报，2 0 0 I -2 6 I I ～7 7 孟金锁．综放开采“ 原位 ” 沿空掘巷探讨【 J 】 ．岩石力学与工程学报． 1 9 9 9 ，l 8 2 2 0 5 2 0 8 8 柏建彪 ．王卫军．侯朝炯等． 综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技 术研究【 J 】 ．煤炭学报 ，2 0 0 0 ，2 5 5 4 7 8 4 8 1 9 侯朝炯 ，勾攀峰．巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究【 J 】 l 岩石力 学与工程学报，2 0 0 0 ．1 9 3 3 4 2 3 4 5 l O 侯朝炯，郭励生．勾攀峰等． 煤巷锚杆支护【 M】 ． 徐州中国矿业 大学出版社，1 9 9 9 l I 柏建彪． 综放沿空掘巷围岩稳定性原理及控制技术研究【 博士学位 论文】 【 D】 ．徐州中国矿业大学，2 0 0 2 2 0 0 4年度 岩石力学与工程学报编委扩大会议纪要 岩石力学与工程学报2 0 0 4年度编委扩大会议由 岩石力学与工程学报编辑部主办，三峡火学承办。会议于 2 0 0 4 年 5月 2 2日在三峡大学接待中心召开，来 自海内外的 2 O余位代表出席了会议。 在会议开幕式上，三峡大学党委书记陈少岚教授发表了热情的讲话。中国岩石力学与工程学会副秘书长尚彦军先生传达 了学会理事长钱七虎院士关于 “ 肯定学报的成绩、稳定发展一个阶段、确立新的发展 目标、加大国内尤其足国际发行力度” 的指示。学报常务副主编王可钧研究员在会上汇报了学报编辑部 自青岛编委扩大会议以来的工作，汇报内容如下海口与青 岛编委扩大会议的回顾，刊期、稿源与发表周期，E I 收录与影响因子，学报的组稿出版情况，来信照登与学术讨论，优秀学 术论文的评选与推荐。学报定价和审稿工作。 学报主编冯夏庭教授强调了提高学报质量的重要性，并介绍 了学报和编辑部负责人更换事宜。经充分物色和反复研究。 推荐中国科学院武汉岩土力学研究所余诗刚研究员接替王可钧研究员的工作，担任学报常务副主编、编辑部主任。2 0 0 4年 5 月 8日，武汉岩土力学研究所周凭栏书记、科研处盛谦处长、人教处陆凯阳处长召集会议宣布佘诗刚研究员接替王可钧研究 员的工作，5月 3 0日武岩土字[ 2 0 0 4 ] 第 0 3 3号文明确余诗刚研究员主持学报工作。 与会代表一致肯定了学报近几年所取得的进步。也就如何进一步搞好学报进行了热烈的讨论，提出了许多宝贵意见。比 如 1 要规范投稿、审稿、录用与退稿程序，所有来稿均要写明项目负责人和通信作者来稿所有作者都要签字表明文责 自负。 2 修回稿要附上对修改意见的回复说明，修回重审的稿件要寄送原审稿人再审。 3 对退稿和撤稿的作者收取一定的 审稿费，退稿要附上详尽的退稿理由。 4 要发挥工程单位编委的作用，多组集工程实录类文章。 5 要围绕重大工程和重大 项目出专辑，少出一般地域性或会议性的专辑；以自由投稿为主，少出专刊。 6 要充分利用网络功能，来稿要尽可能通过 网络送审和返回审稿意见；稿件修改和校对也要尽可能通过网络传递，减少邮寄的时间和费用。 7 明确和实行主编、常务 副主编与责任编辑责任制编委太多，起作用的又相对较少，可考虑设立常务编委，以加强编委对学报的指导作用。 8 继 续加火学会对学报的指导作用和投入力度。 9 在网上公布电子模版，指导新投稿的作者如何写作和扣 ； 版。 1 0 近几年学报 由季刊转双月刊，由双月刊转月刊，再由月刊转半月刊。发展较快，目前应当稳定几年，要特别注重提高质量，扩大发行量， 要特别在岩石力学与岩土工程方面加大发表力度。 1 】 可先搞试验性的电子英文版，英文版迟动不如早动。 1 2 反对商业性 广告，减少人物性广告，增加工程性和学术性广告。 三峡大学为承办这次编委扩大会议极为重视，组成了以刘德富校长为主任、李建林副校长为副主任的组委会，投入了大 量人力与物力。会议具体组织负责人为三峡大学防灾减灾实验室主任郑宏教授，会后他还组织代表们参观了该校的防灾减灾 实验室与三峡水电工程，与会代表对三峡大学领导和会务纽人员的辛勤工作深表感谢，并对该校 “ 融入三峡，走向世界”求 索 向上 的文化底蕴 留下 了深刻 的印象 。 岩石力学与工程学报编辑部 2 0 0 4年 6月 维普资讯