煤柱宽度对综放留巷稳定性影响的研究.pdf

文章编 号 1 0 0 3 5 9 2 3 2 o o 5 0 4- 0 0 6 80 3 煤柱宽度对综放 留巷稳定性影响的研究 冯锦艳 ， 王金安 ， 韦文兵 北京科技 大学 土木 与环境工程 学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 通过理论计算得 出确保综放沿空异形煤柱留巷稳定性的煤柱宽度， 在此基础上运用数值模拟计 算方法分析不同煤柱宽度时， 综放沿空异形煤柱留巷的矿压显现规律以及破坏演化规律， 结合现场巷道变形 监测 结果对 沿空留巷 的稳 定性进 行 了评价。 关键词 沿空留巷； 煤柱宽度； 锚网支护 中图分类号 T D 3 2 2 ． 4 文献标识码 A 1 引 言 靖远矿务局红会 四矿 4 6 0 4面原设计 为综放 面， 由于施工过程 中遇见空巷 、 空棚 ， 并经探测区内 仍有非正常区， 已无法按原设计进行综放开采 ， 因 此调整为首先综放开采下区段的 4 7 0 2面。其 轨巷 与 4 6 0 4机巷有煤柱相隔 ， 煤柱宽度从 53 0 m变 化 图1 。尽管 4 6 0 4面无法综放开采， 但该面的 整个生产系统 已基本形成 ， 经论证研究 ， 待 4 7 0 2综 放面开采后， 经排放积水和通风处理等措施， 仍可 利用已有生产系统用其它方法 回采 4 6 0 4面内受侵 扰的煤炭资源。这样， 就构成了沿 4 7 0 2采空区保 留 4 6 0 4机巷的工程背景 。在 4 7 0 2综放 面开采过 程 中， 由于煤柱宽度的变化 ， 矿 山压力作用对 4 6 0 4 沿空机巷的采动影响程度也不同， 4 6 0 4机巷能否 使用 ， 关键在于煤柱的稳定性 l 2 J 。 I 4 6 0 4 工作面I 垫萱l 圃 图 1 4 7 0 2综放面与4 6 0 4沿空留巷位置示意图 2 煤柱宽度的确定 在综放条件下， 采空区侧的煤柱高达 9 m， 此 时煤体边缘塑性区宽度 。 为 Am I n ] 7．78 m 式中m 煤柱高度， 9 m； c 煤层 与顶 底板 间 的粘 聚力 ， c6 ． 5 MP a； 煤层与顶底板间的摩擦角， 3 6 。 ； P 煤壁侧向约束力， 锚杆支护 P 5 0 k N／ m ； A 煤柱塑性 区与 弹性 区界 面处 的侧压 系数 ， A1 ． 0； 煤体支承压力集 中系数， 一般为 2 3 ， 硬煤取 2 ． 7； 岩体平均容重， 取 2 5 k N ； 采深 ， 取 H3 3 5 m。 4 6 0 4机巷围岩塑性区半径 R 。由下式可得 R 。R 0 [ 旦 咝2 i 二 翌 业] P C。c t 3 ．1 3 m 式中R 。 巷道半径； 取4 6 0 4 机巷宽之半， R 。 1 ．8 5 m ； c 煤层与顶底板间的粘聚力， 取 c 1 ． 6 2 MPa。 故 4 6 0 4机巷 围岩塑性 区宽 RP R0 1 ． 28 m 综放面护巷煤柱保持稳定状态的宽度 日应满足 收稿 日期 2 0 0 50 30 5 作者简介 冯锦艳 1 9 7 8 一 ， 女， 天津市人， 2 0 0 1 年7月北京科技大学土木工程本科毕业， 现在读博士， 研究方向岩石工程数值计算。 6 8 2 0 0 5 ． M矿山压力与顶板 管理 维普资讯 ≥ 2 M ， 则保证 4 6 0 4沿空留巷稳定 的煤柱 宽 B为 B ≥ 2M 1 6 ． 4 6 m 式中 一 巷道高度， m 。 如考虑煤层倾角的影响， 则综放开采保证沿空 巷道稳定 的煤柱宽应在 1 7 m 以上。4 7 0 2综 放面 沿空留巷护巷煤柱的宽为5 3 0 m， 为使 4 6 0 4机 巷沿空留巷保持稳定， 须对煤柱宽 1 7 m以内的沿 空巷采取加 固措施 ， 以保证其稳定性。 3 沿空留巷稳定性数值模拟研究 3 ． 1 计算模型及力学参数 本研究运用二维有限差分程序 F L A C 功 进行计 算。四矿煤层倾角平均为 2 0 。 ， 在 4 7 0 2面一侧为 采空区 ， 高 3 0 ． 5 m。4 6 0 4巷宽 3 ． 7 m， 高 2 ． 9 m， 4 7 0 2巷宽 3 ． 2 m， 高2 ． 9 m。根据开采过程中4 6 0 4 机巷和4 7 0 2轨巷间煤柱宽度的变化建立计算模 型 ， 煤柱的宽度分别选取为 5 m、 1 0 m、 1 5 m、 2 0 m 和3 0 m。计算模型采用平行四边形， 整个模型宽 1 0 2 m， 高7 5 ． 2 m， 垮落区倾角平均为6 5 。 ， 两侧限 制水平方向移动， 模型底边限制水平方向和垂直方 向移动 ， 模型上部根据埋深施加垂直载荷 图 2 。 计算采用的煤、 岩体力学参数见表 1 。 5 ． 2 63 2 M Pa 5 ． 9 2 9 2 M P } 一1 0 2 m 图2 数值模拟计算模型 煤柱宽 5 m 表 1 煤岩力学参数一览表 煤 岩 名 称擘 ／ m 厚 ／ m 1 5／／ V l l a 白 比 琴 k 。 c， Lr a l， ＼ 老顶 砾粗砂岩 1 3 ． 8 2 6 7 0 8 1 2 5 0 ． 1 4 3 3 4 0 直接顶 粉砂岩 2 1 ． 5 2 5 8 3 8 3 6 0 0 ． 2 1 8 5 3 8 煤 9 1 4 0 4 1 4 0 3 0 ． 2 8 1 ． 6 2 3 6 直接底 粉砂岩 2 6 ． 3 5 2 5 3 0 8 3 6 0 0 ． 2 1 8 3 3 8 3 ． 2 支护方案及参数 4 6 0 4机巷采用锚网支护见图 3 ， 4 7 0 2轨巷支 护情况与其类似， 差别仅在顶锚杆间距为 0 ． 7 5 m。 图3 4 6 0 4巷道锚网支护断面示意图 3 ． 3 沿空留巷 4 6 0 4机巷 稳定性分析 1 应力场分布特征 由图 4可知煤柱宽度从 5 m变化到 2 0 m过程 中， 最大主应力的位置发生了明显变化。煤柱宽小 于 1 5 m时， 应力最大值 出现在沿空 留巷机巷上帮 一 侧的顶板 内； 当煤柱宽 由 1 5 m增到 3 0 m时， 应 力最大值转到巷道 间的煤 柱上 ， 且逐渐远 离 4 6 0 4 机巷。从最大主应力场的分布可知应力峰值的位 置发生 了跳跃 ， 即 机 巷上帮一侧一机巷正上方一 煤柱 机巷下帮一侧 ， 由此可见当应力峰值直接 作用在机巷正上方时极易造成巷道失稳 ， 须在锚网 支护的基础上采取加强措施。由图 5可知 ， 随着煤 柱宽度的增加 ， 煤柱内平均垂直压力在开始阶段迅 速上升， 当煤柱宽 1 7 ． 8 m左右时， 达到峰值， 煤柱 极易破坏， 而当煤柱宽大于 1 7 ． 8 m时， 压力有所减 小， 煤柱处于稳定承载状态， 与理论计算结论相近。 图4 煤柱宽不同时的最大主应力图 矿山压力与顶板管理2 0 0 5 ， N o 4 6 9 维普资讯 2 沿空留巷围岩破坏演化规律 计算结果表明煤柱宽小于 1 5 m时， 煤柱受开 采扰 动的影响而破坏 ， 4 6 0 4机 巷的稳定性取决 于 保护煤柱稳定性； 煤柱宽度大于2 0 m时， 煤柱内的 破坏 区不贯通 ， 在煤柱 中部形成 弹性核区承载 表 2 ， 煤柱 自身稳定， 充分体现了煤柱的承载作用， 从而确保了4 6 0 4 机巷的稳定。 表 2 沿空留巷4 6 0 4机巷围岩破坏场分布一览表 煤柱宽度 煤柱破 坏 巷道破坏范围宽／ m 弹性核 区 ／ m 形态 上帮 下帮 宽／ m 5 全部破 坏 3 ． 5 1 O 全部破坏“ N” 形分布 3 1 5 全部破坏“ N”形分 布 1 ． 5 2 O 棱形破 坏 、 楔形破 坏 2 3 O 棱形破坏 、 楔形破 坏 1 ． 3 5 O l O O l 5 O 4 6 1 ． 8 21 ． 5 3 沿空留巷变形规律 由上述可知当煤柱宽介于 1 5～1 8 m之间， 现 行的锚网支护方案不能确保 4 6 0 4机巷的稳定性， 根据现场的实际施工情况 ， 对沿 空留巷 4 6 0 4机巷 采取了加固措施， 即在顶板施加锚索， 在两帮增加 锚杆数量， 在巷道靠近煤柱一侧施加单体液压柱以 期解决 留巷的失稳隐患。 1 4 l O 娶s 1； L 螽 媸。 图5 煤柱内垂直平均应力随煤柱宽度变化趋势 图6 煤柱宽不同时围岩破坏场分布 a 煤柱宽 7 m b 煤柱宽 7 ． 5 m c 煤柱宽 1 2 m d 煤柱宽 1 3 m e 煤柱宽 1 4 m 图7 沿空留巷 4 6 04 机巷断面收敛素描图 ① 所取断面为几个地段变形最为严重处； ② 图中标注的单位为 m 现场对采取加 固措施后 的机巷断面进行 了监 测 图 7 ， 当煤柱宽小于 1 2 m 时， 巷道变形 较小 ； 当煤柱宽在 1 2～ 1 4 m时， 变形严重， 最大巷高缩小 为 1 ． 8 m； 当煤柱宽 1 5 m时 ， 巷道断 面变形加剧 。 现场无法施工。由监测结果可知煤柱宽介于 1 5～ 1 8 m之间是最不利的， 即使采取加固措施也不能 保证其稳定性 。 4 结论 1 当煤柱宽 1 5～1 8 m是最不利情形 ， 此 时 最大主应力直接作用在巷道上方 ， 煤柱失稳 以及一 7 0 2 0 0 5 ． N 口 4矿 山压 力与顶板管理 次采动影响将导致 4 6 0 4巷 道失稳 ， 采取加 固措施 也很难保证巷道稳定 ， 因此建议以后应避免类似情 况发生。 2 合理的煤柱宽度可保证沿空留巷的稳定 性 ， 本研究建议煤柱 留宽在 2 0 m左右。 参考文献 [ 1 ] 赵国旭， 谢和平 ， 马伟民． 宽厚煤柱 的稳定性研究[ J ] ．辽宁 工程技术大学学报 ， 2 0 0 4， 2 3 1 3 8 4 0 ． [ 2 ] 贾光胜， 康立军． 综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究 『 J ] ．煤 炭学报 ， 2 0 0 2 ． 2 7 1 61 0 ． 维普资讯