倾斜厚煤层沿空梯形巷道煤柱合理宽度研究_徐仁桂.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 沿空掘巷时留窄煤柱不仅能提高煤炭资源开采 率和利用率， 同时有利于巷道及上覆岩层稳定[1-4]。 若煤柱宽度留设不合理，在巷道掘进过程中可能伴 随有严重片帮、 冒顶等矿压显现， 严重时甚至引发动 压灾害[5-6]。 以往研究中， 很多专家学者通过理论分析、 数值模拟的手段围绕沿空巷道合理布置位置做了许 多研究，分析了基本顶断裂位置以及护巷窄煤柱宽 度对于沿空巷道围岩的影响及应用情况。但是以往 研究大多以垂直应力作为围岩稳定性的判定标准， 且沿空巷道多以矩形或拱形巷道为研究基础[7-9]。现 实地质条件较为复杂，通常情况地壳运动以水平运 动为主， 构造应力也主要由相互挤压的压应力体现， 而忽略水平应力及切应力的影响而直接采用垂直应 力去评价巷道围岩破坏程度是存在一定缺陷的。偏 应力第二不变量作为剪应力及畸变量大小的表征单 位，应用于判定岩体剪切破坏和完整性程度显得更 为贴切[10-11]。因此， 基于偏应力第二不变量为判断标 准， 应用 FLAC3D模拟软件对于倾斜煤层条件下沿空 倾斜厚煤层沿空梯形巷道煤柱合理宽度研究 徐仁桂 1， 翟春佳2， 刘丽民1， 李常浩3 （1．内蒙古煤炭科学研究院有限责任公司， 内蒙古 呼和浩特 010010； 2．中国矿业大学 （北京 ） 能源与矿业学院， 北京 100083； 3．潞安集团余吾煤业有限公司， 山西 长治 046103） 摘要 为了探究倾斜煤层沿空巷道合理煤柱宽度留设， 采用理论分析、 数值模拟和工业性试验 相结合的方式开展研究。结果表明 通过建立沿空巷道基本顶力学模型， 推导出倾斜煤层内应力 场影响范围为 12．2～12．8 m； 数值模拟不同煤柱宽度下巷道围岩偏应力分布特征， 最终确定合理 窄煤柱宽度为 10 m；继而提出顶板预应力锚杆高强度单体锚索桁架锚索支护耦合作用下的 非对称围岩控制技术， 现场矿压观测结果表明巷道围岩稳定性良好。 关键词 倾斜煤层； 内外应力场； 偏应力； 非对称支护； 矿压观测 中图分类号 TD322．4文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0072-05 Reasonable Width of Coal Pillar in Gob-side Trapezoidal Roadway in Inclined Thick Coal Seam XU Rengui1, ZHAI Chunjia2, LIU Limin1, LI Changhao3 （1．Inner Mongolia Coal Science Research Institute Co., Ltd., Hohhot 010010, China;2.College of Energy and Mining, China University of Mining and Technology（Beijing） , Beijing 100083, China;3.Yuwu Mining Co., Ltd., Lu’ an Group, Changzhi 046103, China） Abstract To explore the reasonable pillar width of roadway along goaf in inclined coal seam, theoretical analysis, numerical simulation and industrial test are combined to carry out the research． The results show that the influence range of stress field in inclined coal seam is 12．2 m to 12．8 m by establishing the basic roof mechanics model of roadway along goaf; the distribution characteristics of deviating stress in surrounding rock of roadway under different widths of coal pillar are numerically simulated, and the reasonable narrow coal pillar width is determined to be 10 m; then the asymmetric surrounding rock control under the coupling action of roof pre-stressed bolt high strength single bolt cable truss bolt cable support is proposed． The results of field observation show that the surrounding rock of roadway is stable． Key words inclined seam; internal and external stress field; deviation stress; asymmetric support; rock pressure observation DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．015 徐仁桂， 翟春佳， 刘丽民， 等．倾斜厚煤层沿空梯形巷道煤柱合理宽度研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 72-76． XU Rengui, ZHAI Chunjia, LIU Limin,et al． Reasonable Width of Coal Pillar in Gob-side Trapezoidal Road- way in Inclined Thick Coal Seam ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 72-76．移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51574243 ） 72 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 梯形巷道条件下煤柱合理宽度的研究，有助于进一 步揭示沿空巷道围岩应力分布及变形机理，进而对 梯形巷道合理煤柱宽度的选择奠定了基础。 1工作面工程地质概况 神华宁东矿区羊场湾煤矿设计可采储量 455．38 Mt， 其主采 2煤层全井田内赋存稳定， 煤层为厚至 特厚煤层， 煤厚为 8．2～10．7 m， 倾角为 15～27， 属 于大倾角。井田内 130205 工作面位于井田东部， 采 用分层开采， 其埋深达 587．1～726．7 m。煤层绝对瓦 斯涌出量仅为 2．89 m3/min， 属于低瓦斯煤层。羊场 湾煤矿 130205 工作面平面位置关系如图 1。 2沿空巷道煤柱宽度理论 2．1基本顶侧向破断位置 当某一工作面回采后，其采空区上方的直接顶 垮落充填于采空区内，而直接顶上方的基本顶将会 沿着煤层倾向发生侧向破断。破断后形成 “砌体梁” 结构，且由采空区矸石和边缘位置煤体共同承担形 成稳定结构。根据宋振骐院士提出的支承应力“内 外应力场” 理念[12-13]， 可知将会沿着采空区边缘形成 力学结构体，“内外应力场” 分布图如图 2。 对图 2 的 “内外应力场” 分布图进行简化， 得到 的基本顶侧向破断后的力学模型简图如图 3。 根据图 3 可知， 当煤层倾角为 θ 时， 内应力场中 与煤壁边缘距离为 x 处的支承应力 σy（x） 为 σy（x） G （x） y （x）（1 ） 式中 Gx为在内应力场中距离煤壁 x 处煤层的 刚度， Pa； yx为在内应力场中距离煤壁 x 处煤体的压 缩量， m。 经研究表明， 在煤体边缘处具有最大压缩量， 煤 壁承受上区段采空区矸石的挤压力以及上覆岩层的 重力载荷，煤壁外侧产生塑性变形并始终处于低应 力状态，该部位煤体在水平压力下保持稳定。因此 可以将其过程简化为 1 个线性变化的过程，由几何 关系可以得到 y （x） y0 x0/cos （θ－ψ） x0 cos （θ－ψ）- x cos （θ－ψ） （）（2 ） G （x） G0 x0 x（3） 式中 y0为采空区边缘煤壁处的最大压缩量， m； θ 为煤层倾角， 根据矿方资料定为平均倾角 13； ψ 为关键块 B 破断时的相邻岩层间破断角，为 5～ 7； x0为此煤层的内应力场范围的大小， m。 联立式 （1） ～式 （3） ， 积分可得内应力场范围内 的垂直支承应力为 x0cos （θ－ψ ） 0 σy（x ） dx ∫ G0y0 x0 cos2（θ－ψ ） 2 - cos3（θ－ψ ） 3 （） cosψ （4） 上区段工作面回采时， 基本顶以 “O-X” 形式破 断后， 工作面端头关键块 B 以弧形三角块结构与相 邻岩块相互铰接共同支撑顶板[14-15]。随着工作面的 继续回采，内应力场范围逐渐减小直至下次基本顶 再次破坏，围岩内应力再次重新分布形成新的内外 图 1130205 工作面平面位置关系图 Fig．1Plane position diagram of 130205 working face 图 3基本顶侧向破断力学模型 Fig．3Mechanical model of basic roof lateral rupture 图 2“内外应力场” 分布图 Fig．2Distribution of“internal and external stress field” 73 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 应力场。故可将内应力场内的垂直支撑应力近似等 同于发生来压时内应力场范围的基本顶岩层的重 力， 也即 G0y0 x0 cos2（θ－ψ ） 2 - cos3（θ－ψ ） 3 （） cosψ LG0Mρg（5） 式中 L 为上区段工作面的长度， m； C0为工作 面的来压步距， m； M 为各传递岩梁的厚度， m； ρ 为 各传递岩梁的平均密度， t/m3。 从直接顶开始垮落直至触矸过程结束，由于煤 层和直接顶的变形是同步的， 由几何关系可以得出 y0 x0/cos （θ－ψ ） △h L′/cos （θ－ψ ） h-mz（Kp－1 ） L′/cos （θ－ψ ） （6） 式中 △h 为直接顶触矸稳定时的最大下沉量， m； L′为直接顶铰结岩梁的跨度， m； h 为该煤层的开 采高度， m； mz为破碎直接顶的垮落高度， m； Kp为基 本顶岩石的碎胀系数。 处于塑性状态的煤体刚度 G0由包体理论可以 表示为 G0 E 2 （1v） ξ （7） 式中 E 为煤体弹性模量， Pa； v 为泊松比； ξ 为 影响系数， 其与煤体内裂隙发育情况有关。 联立以上公式可得内应力场范围 x0为 x0 12LC0Mρg （1v） ξL′cosψ E （h-mz（Kp-1） ） （3cos2（θ－ψ） -2cos3（θ-ψ） ）■ （8） 结合 130205 工作面地测资料，可取值 L170 m， C032～35 m， M 12．8 m， ρ 2．7 t/m3， v 0．27， ξ 0．8， L′18～21 m， E2．5 GPa， h4．5 m， mz4．1 m， Kp1．7， θ13， 进而根据式 （9） 计算得到内应力场的 范围为 12．2～12．8 m。当沿空掘巷时， 若将巷道布置 于内应力场影响范围内，可有效改善巷道围岩力学 性能， 提高巷道围岩稳定性， 降低巷道维护成本。 2．2沿空巷道煤柱宽度 根据文献[16-19]对基本顶侧向断裂线的研究， 通常基本顶断裂线位于煤壁内 0～14 m 处。当断裂 线位于煤壁内 9～14 m 处时，一般采用 1～5 m 煤柱 将巷道布置于断裂线以内，此时沿空巷道宽度和窄 煤柱宽度之和应小于 “内应力场” 的宽度， 以使巷道 处于低应力区。综合考虑煤柱体挡矸以及防水、 火、 瓦斯等重要作用， 最少应设置煤柱体宽为 3～5 m。 为 了满足井下正常工作要求设计巷道宽度为 5 m， 将 煤柱宽度初步定为 8～10 m。留设 8～10 m 的保护煤 柱， 加上巷道宽度为 13～15 m， 而理论计算得到的内 应力场的范围为 12．2～12．8 m， 可见此时巷道处于断 裂线下方位置处。因此可有效规避由拱脚传递而来 的巨大载荷， 使掘后巷道围岩保持相对稳定状态。 3数值模拟 3．1煤柱内偏应力分布特征 基于 130205 工作面地质条件， 采用数值软件[20-21] 建立三维模型，进一步研究巷道在不同煤柱宽度影 响下的围岩破坏机制。当煤柱宽度分别为 5、 8、 10、 12．5、 15、 20 m 时， 不同煤柱宽度下偏应力分布情况 如图 4。 由图 4 可知①偏应力峰值呈先增大后减小趋 势 对于 5～12．5 m 区段煤柱， 随着煤柱宽度增加， 煤 柱内偏应力峰值呈现 “正相关” 增长， 而对于 12．5～ 20 m 区段煤柱， 随着煤柱宽度增大， 曲线形状由 “单 峰” 变为 “双驼峰” ， 煤柱内偏应力峰值呈现 “负相 关” 减小； ②偏应力峰值位置呈先增大后减小趋势 对于 5～12．5 m 区段煤柱， 随着煤柱宽度增加， 峰值 位置距巷道边缘水平距离呈线性增长，峰值位置向 远离巷道方向偏移， 而对于 12．5～20 m 区段煤柱， 在 煤柱宽度为 15 m 时开始出现驼峰状。整体上偏应 力分布形状经历了由单驼峰→正梯形状→双驼峰的 转变，大煤柱内部煤体处于弹性应力状态，较为完 整， 这也间接揭示了传统大煤柱的可行性。 3．2顶板内偏应力分布特征 为了分析沿空巷道顶板围岩偏应力分布特征， 在顶板内布设长 20 m 的监测线， 每 0．5 m 间隔设置 1 个监测点， 共 40 个监测点。不同煤柱宽度时顶板 内偏应力分布情况如图 5。 图 4不同煤柱宽度下偏应力分布情况 Fig．4Distribution of deviatoric stress at different pillar widths 74 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 7矿压观测结果 Fig.7Observation results of mine pressure 由图 5 可知 ①当煤柱宽度较小时， 巷道顶板内 浅部围岩偏应力较高，随着深度的增加，偏应力减 小至某一极小值后再次增大，且煤柱越宽，该极小 值越小；②当煤柱宽度较大时，巷道顶板内浅部围 岩相比窄煤柱偏应力值低，浅部围岩较为稳定， 在 此大煤柱下巷道顶板完整性较好；③在相邻采空区 影响下， 8 m 煤柱时偏应力峰值最小为 12.42 MPa， 相比 5 m 煤柱时峰值降低了 9.74， 10 m 煤柱时偏 应力峰值最小为 9.31 MPa， 相比 5 m 煤柱峰值大小 降低了 36.28。 在 10 m 煤柱时， 监测线围岩受上区 段采空区影响较小，从安全的角度出发，选择此宽 度煤柱更有利于顶板稳定性。 4巷道围岩控制与实践 4.1支护系统参数 沿空巷道支护剖面图如图 6。由图 6 可知 ①顶 板锚杆规格为 φ22 mm2 500 mm 的左旋螺纹钢锚 杆， 间排距为 750 mm1 000 mm， 煤柱帮侧的角锚 杆与煤柱帮距离为 250 mm， 实体煤帮处的角锚杆向 外侧倾斜 15， 其余锚杆垂直顶板布置， 桁架锚索采 用两根高强度低松弛预应力钢绞线 φ22 mm11 300 mm， 靠近帮部的锚索向外侧倾斜 10， 另在靠近实 体煤帮处有 1 根单体锚索，锚索规格为 φ22 mm 10 300 mm； ②实体煤帮选用 φ20 mm2 300 mm 螺 纹钢锚杆， 1 排布置 5 根锚杆， 锚杆间排距 750 mm 1 000 mm， 上部锚杆距顶板 250 mm， 靠近顶板处锚 杆向上倾斜 15，靠近底板处锚杆向下倾斜 10， 其 余锚杆垂直巷帮布置；③煤柱帮选用 φ20 mm2 300 mm 螺纹钢锚杆， 1 排布置 6 根锚杆，锚杆间排距 750 mm1 000 mm， 上部锚杆距顶板 250 mm， 靠近 顶板处锚杆向上倾斜 15，靠近底板处锚杆向下倾 斜 10， 其余垂直巷帮布置。 4.2矿压观测 对巷道围岩收敛量进行连续性观测[22]。顶板位 置设置 2 条监测线， 1 线靠近煤柱侧 0.8 m 处， 2 线 靠近实体煤侧 0.8 m 处， 帮部、 底板监测点均为其中 线位置， 矿压观测结果如图 7。 巷道掘出后围岩是 1 个动态的变化过程直至平 衡状态，顶底板及煤柱帮大约在 30 d 变形趋于稳 定， 实体煤帮在掘巷后 20 d 变形趋于稳定。顶板 1 图 5不同煤柱宽度时顶板内偏应力分布情况 Fig.5Distribution of deviatoric stress in roof with different pillar widths 图 6巷道支护参数剖面图 Fig.6Profile of roadway support parameters 75 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 线最大变形量为 55 mm，顶板 2 线最大变形量为 51 mm， 煤柱帮最大位移量为 38 mm， 实体煤帮最大位移 量为 15 mm。因此该支护方式对巷道维护效果显著。 5结论 1） 基于基本顶断裂所形成的 “内外应力场” 影响 范围，建立倾斜煤层的力学模型，推导出倾斜煤层 中 “内应力场” 影响范围的计算公式。 2） 运用数值模拟方法得出， 沿煤层倾斜方向， 随 着煤柱宽度增加，煤柱内偏应力曲线呈现由单驼峰 状→正梯形状→双驼峰状的转变，煤柱在宽度较小 和较大时比较稳定。在倾斜煤层中，受相邻区段采 空区叠加应力影响，巷道顶板围岩可能受到一定的 剪胀破坏，通常在偏应力最小波动值时作为合理窄 煤柱宽度。 3） 提出采用新型桁架锚索联合支护方式对巷道 进行非对称控制，顶板及帮部每排安放高强度锚杆 加固煤体，顶板交错采用单体锚索与桁架锚索增强 支护困难区的承载性，进而改善围岩应力环境， 防 止煤柱帮顶板及肩窝处恶性垮落。 参考文献 ［1］ 钱鸣高， 石平五， 许家林．矿山压力与岩层控制 ［M］ ．徐 州 中国矿业大学出版社， 2010． ［2］ 康建东． 倾斜煤层沿空掘巷窄煤柱设计及控制技术 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （8） 247－250． ［3］Yang Zengqiang, Liu Chang, Tang Shichuan, et al． Rock burst mechanism analysis in an advanced segment of gob -side entry under different dip angles of the seam and prevention technology ［J］ . 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