第35卷增刊2

2014年10月

文章編號：1000－7598(2014)增2－0460－07巖土力學RockandSoilMechanicsVol.35Supp.2Oct.2014

大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設研究

孔德中，王兆會，李小萌，王顏亮，王

（中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院，北京100083）闖

摘要：側(cè)向支承壓力分布、資源回收率以及煤柱和巷道的穩(wěn)定性是大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度留設要兼顧的因素，為了確定大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度，以某礦8103面為工程背景，首先，采用理論計算和現(xiàn)場應力監(jiān)測等方法確定大采高綜放工作面傾向支承壓力分布規(guī)律，得出應力降低區(qū)寬度約為8m，原巖應力區(qū)為巷幫側(cè)28m外。其次，采用工程類比方法確定大采高綜放工作面巷幫外側(cè)煤體嚴重破裂區(qū)寬度約為4m。最后，采用FLAC3D數(shù)值軟件分析了下區(qū)段工作面回采時窄煤柱（6、8m）和寬煤柱（28、30m）的應力場、位移場及塑性區(qū)特征，獲得不同煤柱寬度時巷道和煤柱力學特征。研究表明：當煤柱寬度6m和8m時，在采動支承壓力下煤柱幾乎無承載能力，且巷道變形量較大；當煤柱寬度28m和30m時，在采動支承壓力下煤柱中央仍有一定的彈性核，煤柱保持穩(wěn)定且巷道變形量較小。綜合考慮資源回收、巷道穩(wěn)定性、次生災害控制等因素，確定大采高綜放工作面區(qū)段煤柱寬度為28m。

關鍵詞：大采高綜放；傾向支承壓力；區(qū)段煤柱；數(shù)值模擬

文獻標識碼：A中圖分類號：TD45

Studyofreasonablewidthoffull-mechanizedtop-coalcaving

withlargeminingheight

KONGDe-zhong，WANGZhao-hui，LIXiao-meng，WANGYan-liang，WANGChuan

（FacultyofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China）

Abstract:Thesideabutmentpressuredistribution,theresourcesrecovery,thestabilityofcoalpillarandtheminingroadwayareconsideredindeterminingreasonablewidthoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheight.Inordertodeterminethereasonablewidth,takingthe8103mineastheengineeringbackground,firstly,thesideabutmentpressuredistributionoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisstudiedbyusingstressmonitoringandtheoreticalcalculation;and8minwidthoflowstresszone,morethan28minwidthoforiginalrockstresszonearedetermined.Secondly,thewidthoffracturedzoneinsidecoalmassoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisdeterminedbyusingengineeringanalogyandnumericalsimulation,andabout4minwidthoffracturedzoneisdetermined.Finally,thestress,thedeformationandfractureanddisplacementofthegatewayexcavatingandthecoalpillarsunderdifferentwidthsofcoalpillarsaresimulatedbyFLAC3D.Thestudyresultsshowthatthecoalpillaralmosthavenobearingcapacityandtheroadwayhaslargedeformationandfailureundertheinfluenceofminingabutmentpressurewhenthewidthofsegmentpillaris6mor8m;thecoalpillarhasthestrongerbearingcapacityandtheroadwayhassmalldeformationandfailureundertheinfluenceofminingabutmentpressurewhenthewidthofsegmentpillaris28mor30m.Allinall,variouselementssuchasresourcesrecovery,roadwaysupportcontrol,andsecondarydisastercontrolareconsideredcomprehensively;andthereasonablewidthofsegmentpillaroffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisdeterminedas28m.

Keywords:full-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheight;thesideabutmentpressure;segmentpillar;numericalsimulation

1引言高綜放技術開采的優(yōu)越性得到普遍認可，越來越多

的特厚煤層（15～20m）礦井采用大采高綜放開采技術。由于綜放開采本身存在資源浪費大的缺點，近年來，隨著綜合機械化水平的提高以及大采

收稿日期：2013-07-22

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）(No.2013CB227903)；國家自然科學基金(No.51004109)；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題(No.SKLCRSM11KFB05)；中央高�；�本科研業(yè)務費專項資金(No.2010QZ02)。

第一作者簡介：孔德中，男，1988年生，博士研究生，主要從事巖石開挖與支護方面研究工作。E-mail:1361316170@qq.com

增刊2孔德中等：大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設研究461

就為大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設提出更高要求。區(qū)段煤柱的作用一方面是隔離采空區(qū)，另一方面是保證下區(qū)段巷道的穩(wěn)定性。煤柱的合理寬度不僅關系到回采巷道的支護效果，而且影響煤礦的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益。煤柱過窄，雖然能減少煤炭損失，但煤柱容易失穩(wěn)，不僅給巷道維護造成困難而且容易造成采空區(qū)漏風；煤柱過寬，不僅導致煤炭資源的浪費，而且難以保證巷道處在支承壓力卸壓帶范圍內(nèi)。因此，一般將避開傾向支承壓力峰值范圍作為確定區(qū)段煤柱寬度的主要依據(jù)。合理確定煤柱寬度，兼顧資源回收率、巷道穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益一直是眾多學者研究的重點。謝廣祥等對綜放面沿空巷道小煤柱合理寬度進行了研究[1－6]，研究結果表明在較薄厚煤層綜放開采過程中，沿空巷道窄小煤柱能夠保證巷道的穩(wěn)定性。劉金海等采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、相似模擬、理論計算對綜放面不同煤柱寬度進行了研究，結果表明大煤柱能夠保持巷道的穩(wěn)定性[7－9]。劉增輝等[10]對綜放面不同煤柱寬度進行了研究，表明護巷煤柱的合理寬度應小于巷幫實體煤內(nèi)應力向煤柱內(nèi)轉(zhuǎn)移的臨界寬度。綜上可知，大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設應同時兼顧到巷道穩(wěn)定性、煤柱的完整度和資源回收率。本文以某礦8103面為工程背景，在現(xiàn)場實測與理論計算的基礎上，運用FlAC3D對不同區(qū)段煤柱寬度進行研究，以期為類似條件的參數(shù)確定提供理論和數(shù)據(jù)支持。

次生災害（瓦斯溢出、殘煤自燃等），其中資源回收率與煤柱寬度有關，巷道的穩(wěn)定性與所處的應力環(huán)境有關，次生災害的控制與煤柱的完整性有關�；�于此，本文首先研究大采高綜放工作面傾向支承壓力分布特征，確定應力降低區(qū)、應力增高區(qū)及原巖應力區(qū)范圍。然后，對采動影響下“窄煤柱”（巷道處在應力降低區(qū)）、“寬煤柱”（巷道處在原巖應力區(qū)）巷道穩(wěn)定性及煤柱完整性進行分析。最后，根據(jù)以上3個“有利于”原則確定大采高綜放工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。

3綜放面傾向支承壓力分布規(guī)律

煤層開采過程破壞了原巖應力場的平衡狀態(tài)，引起回采空間周圍應力重新分布。上區(qū)段工作面回采后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉(zhuǎn)移，隨著工作面推進，采空區(qū)上覆巖層垮落，老頂周期性破斷，在工作面端頭破斷形成起著關鍵作用的弧形三角塊結構，采空區(qū)上部巖層將形成新的平衡支承點，從而在工作面傾斜方向形成傾向支承應力。8103工作面回采過后，在沿煤層傾斜方向上形成的傾向支承應力對8104回風平巷的布置有重要影響，即對區(qū)段煤柱留設起著決定性的作用。因此，上區(qū)段工作面回采形成的傾向支承應力是決定區(qū)段煤柱寬度的大應力環(huán)境。3.1傾向支承壓力分布的理論計算

根據(jù)極限平衡理論，建立如圖1力學模型[11]。

y

2工作面概況及研究思路

2.1

工作面概況

某礦8103大采高綜放面工作面標高為-400～-440m，工作面走向推進長度為1700m，工作面8.5～20m，平均煤厚15m。割煤高度為5m，放煤高度為10m，采放比1:2。工作面煤層含2～3層夾矸，夾矸的巖性為黑高嶺質(zhì)泥巖、褐色高嶺巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖，該面煤層穩(wěn)定，結構復雜。根據(jù)鉆孔揭露的情況：直接底為泥巖，厚約2.38～6.42m；基本底為中粗砂巖，厚約23.6m；直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚約2.46～6.28m；老頂自上而下為2號煤層、巖漿巖、硅化煤、粉砂巖、細砂巖、高嶺質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖等，厚12.4～28.3m。2.2研究思路

某礦8103面無沖擊危險性，大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度合理留設主要考慮3個原則，即有利于提高資源回收率、有利于保證巷道穩(wěn)定和有利于控制

Fig.1

Fx

?y0

?y

?x

m/2

150m。煤層傾角0°～3°，為近水平煤層，煤層厚

?xy

x0

圖1傾向支承壓力分布的力學模型

Mechanicalmodelofsideabutmentpressure

由圖1可列平衡微分方程：

???x??xy

??fx?0??x?y?

???y??xy

??fy?0???y?x??xy??(c??ytan?) ?

?

?x???y??

m/2

x

（1）

462巖土力學2014年

求解可得

????

?xy??(c??ytan?)?

?

??K?Htan??2c??M?

x0?ln??

2tan??2(?c?Fxtan?)???

壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小最終趨于穩(wěn)定的趨勢。

2tan?tan2?

?m??

1?c?

?y??Fx??e

tan????

距離巷幫側(cè)應力降低區(qū)為巷幫側(cè)0～7m內(nèi)，應力集中系數(shù)由0.26～0.50上升到0.98～1.02；在距離

（2）

巷幫側(cè)7～15m內(nèi)，應力集中系數(shù)由0.98～1.02上升到1.62～1.71；距離巷幫側(cè)15～28m內(nèi)，應力集中系數(shù)由1.62～1.71下降到1.04～1.01；距離巷幫側(cè)28m外，應力集中系數(shù)維持在1.00左右。

綜合理論計算與現(xiàn)場實測可知，8103面傾向支承壓力的應力降低區(qū)為巷幫側(cè)6～8m，應力增高區(qū)為8～28m，原巖應力區(qū)為巷幫側(cè)28m外的范圍。

式中：fx、fy分別為極限平衡區(qū)內(nèi)煤體在x、y方向的體積力，fx=0，fy=Mx?；?為側(cè)壓系數(shù)；?為煤巖體重度；?為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍哪Σ两牵?/p>

c為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍酿ぞ哿Γ?y為垂直應力；M為煤層開采厚度；?x為單元體所受水平應力；Fx為支架對煤幫的橫向作用力；x0為極限平衡區(qū)寬度。

將M=15m，?=0.3，?=25°，c=1.6MPa，?=，得到x0=25kN/m3，F(xiàn)x=0.25MPa代入式（2）

4綜放面傾向煤體較完整區(qū)的確定

從提高煤炭采出率和煤礦開采效益的角度出發(fā)，區(qū)段煤柱寬度應盡可能小，但如果煤柱過窄，下區(qū)段工作面采動時，煤柱在支承壓力疊加影響下易于變形破裂，從而使巷道中錨桿錨固在較破碎煤體中錨桿的作用難以充分發(fā)揮，巷道穩(wěn)定性難以保證。此外，煤柱的破裂變形導致上區(qū)段采空區(qū)瓦斯溢出、殘煤自燃等次生災害的發(fā)生，因此傾向煤體較完整區(qū)的確定是合理煤柱留設的重要依據(jù)。