第31卷 第2期 采礦與安全工程學(xué)報(bào) Vol.31 No.2 2014年03月 Journal of Mining & Safety Engineering Mar. 2014 文章編號(hào)：1673-3363-(2014)02-0255-08

大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定

張科學(xué)1，姜耀東2,3，張正斌4，張永平4，龐緒峰1，曾憲濤3

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與

安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，

北京 100083；4．山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

摘要 大煤柱內(nèi)沿空掘巷是基于工作面雙U型巷道布置方式提出的一種新技術(shù)，本文針對(duì)其具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，運(yùn)用極限平衡理論、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，得出大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定方法，即從上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布規(guī)律和煤柱應(yīng)力分布、巷道圍巖應(yīng)力分布、巷道圍巖塑性區(qū)分布、巷道圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系及窄煤柱寬度的極限平衡理論計(jì)算6個(gè)方面綜合考慮窄煤柱的寬度，最終確定窄煤柱寬度為5 m，并深度分析了本區(qū)段工作面回采對(duì)窄煤柱和寬煤柱圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

關(guān)鍵詞 大煤柱；窄煤柱；沿空掘巷；煤柱寬度；雙U型

中圖分類(lèi)號(hào) TD 353 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

DOI:10.13545/j.issn1673-3363.2014.02.015

Determining the reasonable width of narrow pillar of roadway

in gob entry driving in the large pillar

ZHANG Kexue1，JIANG Yaodong2,3，ZHANG Zhengbin4，

ZHANG Yongping4，PANG Xufeng1，ZENG Xiantao3

(1．Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，

Beijing 100083，China；2．State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；3．School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining & Technology

(Beijing)，Beijing 100083，China；4．Shanxi Gaohe Energy Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 047100，China)

Abstract Gob entry driving in the large pillar is a new technology based on double U-shaped roadway layout of the face. According to the geological conditions, certain method of reasonable width of narrow pillar in gob entry driving in the large pillar is obtained based on the combination of limit equilibrium theory, numerical calculation and field practice. It takes into account six parameters for the narrow pillar width from distribution of stress of the section of the lateral support goaf, stress distribution of coal pil-lars, stress distribution of surrounding rock, plastic zone distribution of surrounding rock, the relation-ship between deformation of surrounding rock and pillar width and limit equilibrium theory of narrow pillar width, and finally it is determined that the narrow pillar width is five meters. Then deep analysis is conducted to the impact of stress distribution law between narrow pillar and wide pillar to this section face mining.

Key words large pillar; narrow pillar; roadway in gob entry driving; pillar width; double U-shaped

收稿日期：2012-11-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB226801，2010CB226804)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174213)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持

計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-10-0775)；中央高�；�本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009QM001)

作者簡(jiǎn)介：張科學(xué)(1986-)，男，河南省永城市人，博士，從事沖擊地壓、巷道圍巖控制方面的研究。

E-mail：zhkexue@163.com Tel：13366030731

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采礦與安全工程學(xué)報(bào) 第31卷

大煤柱內(nèi)沿空掘巷是上區(qū)段工作面回采穩(wěn)定以后，在大煤柱內(nèi)沿上區(qū)段采空區(qū)邊緣留窄煤柱掘進(jìn)本區(qū)段工作面回采巷道，是基于工作面雙U型巷道布置方式提出的一種新技術(shù)[1]。為研究方便，本文將大煤柱內(nèi)沿空掘巷后兩側(cè)煤柱分別命名為窄煤柱和寬煤柱(如圖1)，大煤柱內(nèi)沿空掘巷后破壞了原有大煤柱內(nèi)的圍巖應(yīng)力平衡，使得窄煤柱內(nèi)和寬煤柱內(nèi)的圍巖應(yīng)力重新分布，尤其在本區(qū)段工作面回采后，窄煤柱內(nèi)和寬煤柱內(nèi)的圍巖應(yīng)力進(jìn)一步變化調(diào)整，以適應(yīng)新的圍巖變形，從而達(dá)到新的圍巖應(yīng)力平衡�；夭上锏绹鷰r的穩(wěn)定性主要取決于圍巖強(qiáng)度、應(yīng)力狀況及支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系

[2-4]

的3#煤層賦存于二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，煤層埋深平均為480 m，厚度平均為6.5 m，傾角平均為8°。E1303和E1305工作面長(zhǎng)度為295 m左右，切眼至停采線(xiàn)長(zhǎng)度為1 785 m左右。3#煤層頂?shù)装鍘r性詳見(jiàn)表1。E1305工作面巷道布置關(guān)系如圖2。

表1 各巖層及節(jié)理力學(xué)參數(shù)

Table 1 Mechanical parameters of the various strata and joints

巖層 上覆巖層基本頂直接頂偽頂 煤層

直接底

基本底下覆巖層節(jié)理

體積模 量/GPa

剪切模量/GPa

密度/ 摩擦角 黏結(jié)力(kg·m-3) /(°) /MPa

抗拉強(qiáng)

度/MPa

4.8 2.45 2 500 24 20 10 5.8 3.0 2 550 28 20 10 2.7 1.45 2 300 32 4.2 2.9 1.4 0.21 2 100 23 0.6 0.7 2.4 1.0

1

415

20

3.6 1.4

2.6 1.0

2 300

23

4.5

1.8 3.9 1.2 2 500 26 20 4 4.8 2.45 25 00 24 20 10 正壓剛度3 000 MPa、剪切剛度1 000 MPa、 黏結(jié)強(qiáng)度2.8 MPa、摩擦因數(shù)0.32

。

因此在大煤柱內(nèi)沿空掘巷圍巖強(qiáng)度、支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系一定的情況下，應(yīng)力狀況是決定其圍巖穩(wěn)定性的主要因素。大煤柱內(nèi)沿空掘巷圍巖應(yīng)力較普通沿空掘巷復(fù)雜多變，為更好控制巷道圍巖穩(wěn)定性，更需對(duì)窄煤柱寬度進(jìn)行合理確定。

圖1 大煤柱內(nèi)沿空掘巷空間位置關(guān)系示意圖 Fig. 1 Showing the relationship of the spatial position of roadway driving along next goaf in large pillar

E1305工作面

m水平東翼回風(fēng)大巷1

柏建彪等通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析確定合理的窄煤柱寬度為：軟煤4~5 m，中硬煤3~4 m；謝廣祥等

[6]

[5]

圖2 E1305工作面巷道布置示意圖 Fig.2 Schematic diagram in E1305 workface

揭示了煤柱寬度變化對(duì)綜放面圍巖應(yīng)力分布及變化規(guī)律的影響，并指出護(hù)巷煤柱的合理寬度應(yīng)小于巷幫實(shí)體煤內(nèi)應(yīng)力向煤柱內(nèi)轉(zhuǎn)移的臨界寬度；王衛(wèi)軍等[7]得出基本頂給定變形下綜放沿空掘巷合理窄煤柱寬度的計(jì)算公式；陸士良等[8]在分析研究200余條巷道實(shí)例的基礎(chǔ)上，得出護(hù)巷煤柱寬度與巷道圍巖變形的普遍關(guān)系表達(dá)式。而對(duì)大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定問(wèn)題研究尚屬空白。本文分析了上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布規(guī)律和煤柱應(yīng)力分布、巷道圍巖應(yīng)力分布、巷道圍巖塑性區(qū)分布、巷道圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系，并深度分析了本區(qū)段工作面回采對(duì)窄煤柱和寬煤柱圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的影響，得出大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定方法。

2 數(shù)值模擬模型建立

本文采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析。根據(jù)該礦現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和實(shí)際工作面空間位置關(guān)系，并綜合考慮各方面的因素，建立大煤柱內(nèi)沿空掘巷數(shù)值模型，如圖3所示。整個(gè)模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)確定為：220 m×220 m×75 m，共有316 800個(gè)塊體、340 119個(gè)節(jié)點(diǎn)，+X方向?yàn)楣ぷ髅娴淖呦蚍较颍?Y方向?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)方向，+Z方向?yàn)榇怪毕蛏�，模型上部邊界施加的載荷按采深441.5 m計(jì)算，底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，側(cè)壓系數(shù)為1.2。E1305工作面模擬回采長(zhǎng)度80 m，E1303工作面模擬回采長(zhǎng)度80 m。E1303瓦排巷斷面為矩形斷面，寬為5.0 m，高為3.5 m，沿頂板掘進(jìn)。護(hù)巷煤柱寬度的確定與沿空巷道支護(hù)方式有重要關(guān)系[9]，本文模擬的巷道支護(hù)采用錨桿支護(hù)技術(shù)，模擬中錨桿支護(hù)強(qiáng)度可達(dá)0.25 MPa左右。各巖層及節(jié)理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

1 試驗(yàn)巷道工程概況

試驗(yàn)巷道為某礦E1303工作面瓦排巷(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“E1303瓦排巷”)，E1303和E1305工作面回采

第2期 張科學(xué)等：大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定

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數(shù)值計(jì)算過(guò)程為：原巖應(yīng)力平衡計(jì)算→掘進(jìn)E1305運(yùn)輸巷和E1305輔運(yùn)巷(E1303回風(fēng)巷，即E1305工作面回采完畢以后作為下一個(gè)工作面(E1303工作面)的回風(fēng)巷)及錨桿支護(hù)計(jì)算→E1305工作面回采計(jì)算→掘進(jìn)E1303瓦排巷(大煤柱內(nèi)沿空掘巷)及錨桿支護(hù)計(jì)算→E1303工作面回采計(jì)算。

E1305工作面(上區(qū)段回采)

E1303瓦排巷(沿空掘巷)窄煤柱寬煤柱

E1303工作面(本區(qū)段回采)

下覆巖層基本底直接底煤層偽頂直接頂基本頂上覆巖層

C0?

K?H??tan?0mA

ln?X1?

Z2tan?0?

??tan?A0?

?

?? ? (2)??

式中：m為煤層采厚，6.5 m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.22，則A=0.28；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，24°；C0為煤層界面的黏結(jié)力，2.9 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.4；γ為巖層平均容重，25 kN/m3；H為巷道埋深，480 m；pZ為支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，0。

根據(jù)以上條件進(jìn)行估算，得到X1=2.63 m，X2=1.15~1.91 m，由此可以得出B=4.97~5.74 m。為了使錨桿的錨固段能夠安設(shè)在穩(wěn)定的煤體中，最終確定煤柱寬度為5.0 m。 3.2 窄煤柱寬度的數(shù)值計(jì)算

3.2.1 采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布規(guī)律

工作面回采以后的應(yīng)力狀況對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力三維數(shù)值模型如圖5所示。E1305工作面回采穩(wěn)定以后，在煤層直接頂上方2 m處布置觀(guān)測(cè)線(xiàn)，分析E1303瓦排巷圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，本文以垂直應(yīng)力分布為例進(jìn)行分析研究，具體如圖6所示。