采动应力影响条件下护巷煤柱留设尺寸研究_吕晓波.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 煤矿地下开采活动中，巷道的稳定性对于保证 矿井正产生产和安全开采至关重要。一般按照矿井 开采设计，为了巷道的稳定和正常使用，往往留有 20～30 m 不等的煤柱，以避免采动应力的影响造成 巷道变形失稳。如果煤柱留设尺寸过小，在采动应 力的影响下巷道会失稳被破坏； 如果煤柱留设尺寸 过大， 巷道稳定程度可以保证， 但浪费煤炭资源， 降 低了回采率。因此合理确定煤柱尺寸是很有必要 的。煤柱留设煤柱的尺寸大小与煤柱的强度、应力 水平等相关[1-5]。目前， 国内外相关领域学者主要从 理论计算分析、数值模拟、现场测量等方面确定煤 柱留设尺寸，并得到了许多的研究成果。通过理论 计算和计算机数值模拟， 李金贵[6]分析了煤柱的稳 定性和支护应力分布， 确定了 “三软” 倾斜厚煤层综 放工作面煤柱尺寸。苏超等[7]建立了计算煤柱两侧 塑性破坏带的理论公式， 结合现场实测资料， 提出了 不同的煤柱宽度， 并进行了数值模拟分析， 确定了高 瓦斯综放工作面煤柱的合理尺寸。刘增辉等[8]采用 三维有限差分法模拟分析了工作面推进 150 m 时工 作面后不同距离开采对侧向围岩的破坏特征和应力 分布， 研究了综采顶煤煤巷煤柱尺寸。陈学华等[9]采 用煤柱荷载估算方法和煤柱宽度塑性理论计算方 法， 从理论上计算煤柱的合理宽度， 然后， 通过数值 模拟，比较分析了不同宽度煤柱塑性破坏范围和围 岩应力的变化， 分析比较了煤柱的合理宽度， 最终确 定了特采放顶煤工作面煤柱的合理宽度。以上研究 成果主要针对确定回采工作面煤柱、区段煤柱合理 尺寸，但对于大巷煤柱的合理尺寸研究较少。为此 以霍州煤电集团腾晖煤矿为工程背景，主要研究以 采动应力影响条件下对材料大巷煤柱的影响。材料 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.042 采动应力影响条件下护巷煤柱留设尺寸研究 吕晓波 1， 2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了优化煤柱尺寸及提高采出率， 采用理论计算法和数值模拟法对腾晖煤矿合理煤柱 宽度进行了研究。结合该矿 2-204 工作面的实际地质条件和开采条件， 首先利用理论计算法得 出护巷煤柱的合理留设尺寸， 然后利用 FLAC3D数值模拟软件分别模拟不同宽度的护巷煤柱， 得 出了相应的塑性区图和应力分布图。通过数值模拟与理论计算综合分析比较， 确定当护巷煤柱 宽度取 27 m 时， 材料大巷稳定性相对较好， 并且能够有效提高煤炭采出率， 确保采动应力扰动 下被保护的巷道不失稳， 这对于矿井的安全生产和高产高效来讲至关重要。 关键词 采动应力； 护巷煤柱； 煤柱宽度； 数值模拟； 巷道稳定性 中图分类号 TD322文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0189-03 Study on Retaining Size of Coal Pillar in Roadway Under Mining-induced Stress LYU Xiaobo1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China；2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In order to optimize the size of coal pillar and improve the recovery rate, theoretical calculation and numerical simulation were used to study the reasonable width of coal pillar in Tenghui Coal Mine. Combining with the actual geologi－ cal conditions and mining conditions of 2-204 working face in this mine, the reasonable size of coal pillars for roadway protection is obtained by theoretical calculation at first, then the different width coal pillars are simulated by FLAC3Dnumerical simu－ lation software, and the corresponding plastic zone map and horizontal displacement map are obtained. Finally, the comprehensive analysis and comparison of numerical simulation and theoretical calculation show that when the width of pillar is 27 m, the stabili－ ty of roadway is relatively good, and the coal recovery rate can be effectively improved. Key words mining stress； roadway pillar； pillar width； numerical simulation； roadway stability 189 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 1煤层及其顶板岩石物理力学参数 图 1煤柱载荷计算力学模型 大巷较回采工作面煤巷有所不同，其担负着采区或 全矿井的设备材料运输工作，其煤柱合理的留设关 系到整个采区或矿井的生产，材料大巷煤柱留设太 宽浪费煤炭资源，材料大巷煤柱留设太窄，在采动 应力影响下，大巷会失稳，极大影响采区或矿井的 安全生产，因此其研究意义重大。建立护材料大巷 煤柱载荷力学模型， 通过理论计算和 FLAC3D数值模 拟 2 种方法综合考量，分析确定护巷煤柱合理尺 寸。通过确定合理的煤柱尺寸，同时确保采动应力 扰动下被保护的巷道不失稳，这对于矿井的安全生 产和高产高效来讲至关重要[10-15]。 1工程概况 霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司是一 兼并重组矿井， 矿生产能力 1.20 Mt/a。 2-204 工作面 布置在 F2（H30 m） 断层和矿井材料大巷之间， 2- 204 工作面的回采将对材料大巷产生采动影响， 采 动应力可能导致材料大巷变形失稳。材料大巷是矿 井的主要准备巷道，担负矿井运输和通风任务， 确 保材料大巷的稳定对矿井生产来说至关重要。 为了保护材料大巷，布置 2-204 工作面时在工 作面与大巷间必须留有一定宽度的煤柱，煤柱留设 尺寸大小与采动应力影响程度、煤柱强度密切相 关。 从尽可能多的回采材料大巷和断层 F2间的煤炭 资源，还要确保材料大巷在受采动影响下保持稳定 不失稳，研究合理的煤柱留设尺寸对于腾晖煤业来 说具有重要的现实意义，对提高矿井的煤炭资源回 收率和受采动影响巷道的稳定控制具有巨大价值。 2护巷煤柱留设理论计算 目前国内外研究都认为， 护巷煤柱上的载荷， 是 由煤柱上覆岩层质量及煤柱一侧或两侧采空区悬露 岩层转移到煤柱上的部分质量所引起的[16-20]。故根 据开始时的基本假设，简化实际中复杂状况的顶 板， 建立的简化后的力学模型如图 1。 一个单位长度煤柱上的总载荷 p 为 p （ （B＋D） H－ D2cotδ 4 ） ρg（1） 式中 B 为煤柱宽度， m； D 为采空区宽度， m； H 为巷道深度， m； δ 为采空区上覆岩层垮落角； ρ 为上 覆岩层平均密度， t/m3。 煤柱单位面积的平均载荷即平均应力 W 为 W p B （ （B＋D） H－ D2cotδ 4 ） B ρg（2） 将腾晖煤矿 2-204 工作面参数代入式 （1） 、 式 （2） 中， 得到材料大巷煤柱尺寸的理论计算结果为 2332 m。 3护巷煤柱宽度数值模拟 利用 FLAC3D软件以 2-204 工作面与材料大巷 之间留设煤柱现场生产地质条件为基础建立数值模 型，分别模拟的煤柱尺寸为 20、 27、 32 m 3 种条件， 通过对煤柱位移场、应力场的分布规律进行分析， 为确定区段煤柱的合理尺寸提供依据。煤层及其顶 底板岩层物理力学参数见表 1。 不同煤柱宽度应力区域分布图如图 2，不同煤 柱宽度塑性范围分布如图 3。 图 2 （a） 图 2 （c） 为煤柱应力区分布云图， 当煤 柱宽度为 20、 27、 32 m 时， 煤柱应力整体呈现 “马鞍 型” ， 当煤柱 20 m 时， 煤柱应力集中现象显著； 煤柱 宽度为 27 m 时，侧向峰值应力位于相邻巷道帮部 约 4.72 m， 煤柱宽度为 32 m 时， 侧向峰值应力位于 相邻巷道帮部约 6.15 m。 图 3 （a） 图 3 （c） 为煤柱塑性范围分布云图， 当 煤柱宽度为 20 m 时， 煤柱完全处于塑性区范围， 稳 定性差， 当煤柱宽度为 27 m 时， 侧向峰值应力位于 煤岩名称密度/ （kg m-3） 弹性模量 /GPa 泊松比 μ 抗拉强度 /MPa 基本顶 直接顶 煤 直接底 2 574 2 604 1 435 2 604 30.077 39.674 24.704 39.674 0.26 0.23 0.25 0.23 6.47 6.20 2.24 6.20 190 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 3不同煤柱宽度塑性范围分布 图 2不同煤柱宽度应力区域分布图 煤柱侧 3.754.3 m，煤柱中央弹性核区约 8.37 m； 当煤柱宽度为 32 m 时，侧向峰值应力位于煤柱侧 3.814.41 m， 煤柱中央弹性核区约 12.4 m。当煤柱 宽度为 27 m 和 30 m 时， 由于煤柱宽度增大， 对煤 柱水平变形起到有效抑制， 利于维护巷道的稳定。 综合考虑围岩的变形和破坏情况， 2-204 工作 面与材料大巷之间留设煤柱应在 2732 m 适宜， 这 与前文理论计算结果相吻合，验证了数值模拟的合 理性和科学性。为了减小煤炭资源损失，结合理论 计算结果， 确定煤柱留设宽度为 27 m。 4结论 1 ） 采用理论分析， 给出护巷煤柱留设理论计算 公式，由此得出为保持煤柱整体稳定性，材料大巷 煤柱尺寸的理论计算结果为 2332 m。 2 ） 通过数值模拟计算，得到了煤柱宽度分别为 20、 27、 32 m 时的综采面侧向支承压力分布规律， 分 析得到了煤柱合理布设位置应在 27 m 较为经济合理。 3 ） 建议腾晖煤矿开采 2-204 工作面时， 设计保 护材料大巷的护巷煤柱合理留设宽度为 27 m， 保证 减少煤炭资源的损失， 提高经济效益。 参考文献 ［1］ 钱鸣高， 刘听成．矿山压力及其控制 ［M］ ．北京 煤炭工 业出版社， 1991． ［2］ 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 （自然科学版） ， 2004， 23 （1） 38－40． ［3］ 陆士良．护巷煤柱宽度与巷道围岩变形的关系 ［J］ ．中 国矿业大学学报， 1991 （4） 88－89． ［4］ 奚家米， 毛久海．沿空掘巷合理煤柱宽度综合分析与 确定 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2008 （4） 42－45． ［5］ 钟林．煤柱宽度对沿空巷道围岩影响分析 ［J］ ．中国煤 炭， 2012 （2） 53－56． ［6］ 李金贵． “三软” 倾斜厚煤层综放工作面护巷煤柱尺寸 留设研究 ［J］ ．煤炭工程， 2014， 46 （8） 12－14． ［7］ 苏超， 鲁健， 郭萌．高瓦斯综放工作面区段煤柱合理尺 寸确定 ［J］ ．矿业安全与环保， 2018， 45 （4） 89－92. ［8］ 刘增辉， 康天合， 李东勇．顺槽煤柱合理尺寸的三维数 值模拟 ［J］ ．矿业研究与开发， 2005 （4） 27－29． ［9］ 陈学华， 包鑫阳， 张振华．特厚煤层综放工作面区段煤 柱合理宽度 ［J］ ．辽宁工程技术大学学报 （自然科学 版） ， 2017， 36 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