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第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 突出煤层综采工作面小煤柱掘进技术 令狐建设 （阳泉煤业 （集团） 有限责任公司， 山西 阳泉 045000） 摘要针对寺家庄矿 15煤层综采工作面小煤柱掘进过程中由于煤与瓦斯突出风险大和巷道 稳定性差等因素带来的安全问题， 采用理论计算、 数值模拟及现场试验等方法对综采工作面沿 空掘巷煤柱尺寸及现场实践效果进行研究。结果表明 工作面上覆岩层侧向结构中存在着影响 应力分布的关键块体， 通过分析、 计算得到煤柱尺寸存在临界值， 当煤柱尺寸超过该值时， 煤柱 应力显著升高， 不利于回采巷道稳定性； 通过对煤柱应力分布数值模拟和现场测试， 结合开采安 全性分析， 确定寺家庄矿 15106 综采工作面煤柱尺寸为 7 m； 按照已确定的煤柱尺寸进行小煤柱 沿空掘巷后， 顶底板最大移近量约 324 mm， 两帮最大移近量约 224 mm， 较未采用沿空掘巷方法 时分别降低了 42、 29， 掘进回风瓦斯浓度最大 0.35， 平均 0.15， 防突钻孔的工程量减少约 2/3， 15106 工作面进回风巷月平均进尺提高至原始煤体中月平均进尺的 2.35 倍。 关键词 综采工作面； 沿空掘巷； 小煤柱； 煤柱尺寸； 应力分布 中图分类号 TD322文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0152-07 Small Pillar Driving Technique in Fully Mechanized Working Face of Outburst Coal Seam LINGHU Jianshe （Yangquan Coal Industry （Group）Co., Ltd, Yangquan 045000, China） Abstract Aiming at the safety problems caused by poor roadway stability and other factors during gob-side entry driving of 15106 isolated island face in Sijiazhuang Mine, theoretical calculations, numerical simulations and field tests were adopted to de－ termine the coal pillar size and field practice effect of gob-side entry driving in isolated face. The results show that there are key blocks in the lateral structure of the overlying strata on the isolated face that affect stress distribution. Through analysis and calcu－ lation, there is a critical value for the coal pillar size for gob-side entry driving. When the size of coal pillar exceeds this value, the stress of coal pillar increases significantly, this is not conducive to the stability of stoping roadway. Through numerical simula－ tion and field test of coal pillar lateral stress distribution, combined with mining safety analysis, the coal pillar size of 15106 isolat－ ed island face in Sijiazhuang Mine was determined to be 7 m. After the gob-side entry driving with small coal according to the determined coal pillar size, the maximum approach amount of the top and bottom plates is about 324 mm, and the maximum ap－ proach amount of the two groups is about 224 mm, which are 42 and 29 lower than those when gob-side entry driving is not used. The maximum concentration of return gas is 0.35 and the average is 0.15, the amount of anti-outburst drilling works decreased by about 2/3, and the average monthly footage of the 15106 face into the return air lane increased to 2.35 times of the average monthly footage of the original coal body. Key words isolated island face; gob-side entry driving; small coal pillar; coal pillar size; stress distribution 阳泉矿区位于沁水盆地西北隅，由于局部区域 特殊的地质条件限制，采掘衔接布局发生变化， 诸 多矿井不可避免的面临沿空掘巷这一现场问题[1-3]。 工作面煤柱的危险性主要在于其高集中应力，该条 件造成回采巷道稳定性较差、工作面压力大等问 题，甚至产生煤矿动力灾害。如何提高沿空掘巷的 安全性成为研究的热点问题之一。沿空掘巷成为综 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.023 令狐建设.突出煤层综采工作面小煤柱掘进技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 152-158. LINGHU Jianshe. Small Pillar Driving Technique in Fully Mechanized Working Face of Outburst Coal Seam ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 152-158. 移动扫码阅读 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05067004） 152 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2内应力场力学模型 Fig.2Internal stress field mechanics model 采工作面的主要开采手段之一。国内外学者针对沿 空掘巷进行了大量研究， 侯朝炯、 马振乾、 王朋飞 等[4-6]针对孤岛工作面上覆岩层结构进行了分析， 确 定了影响孤岛工作面回采巷道稳定性的关键因素， 揭示了孤岛工作面结构稳定性原理。张科学、 李磊、 张炜等[7-12]通过对基本顶岩层垮落特征、 直接顶和煤 体变形特点及采空侧支承压力分布规律等进行研 究，提出了沿空掘巷回采巷道及煤柱尺寸的合理位 置确定方法。上述研究成果为矿井安全高效开采提 供了技术支撑。寺家庄矿是阳泉矿区典型的煤与瓦 斯突出矿井， 主采的 15煤层具有高地应力、 高瓦斯 含量、 低透气性的特征， 现面临沿空掘巷难题。基于 寺家庄矿 15106 综采工作面地质条件，采用理论计 算方法确定工作面上覆岩层结构，计算得出煤柱尺 寸理论值；建立数值模型，模拟分析工作面应力分 布特征，确定工作面卸压区范围，结合理论计算结 果， 确定现场监测方案； 依据现场监测数据， 优化综 采工作面沿空掘巷煤柱尺寸。 1工作面概况 寺家庄矿属阳泉煤业 （集团） 有限责任公司的主 力生产矿井， 矿井年生产能力为 5.00 Mt， 服务年限 为 79.2 年。 主采 15煤层为煤与瓦斯突出煤层， 煤层 透气性系数 0.175 m2/ （MPa2 d ） ， 最大原始煤层瓦斯 含量 24.62 m3/t。 15106 工作面煤层的最大厚度为 6.89 m，最小 厚度为 3.92 m， 平均厚度为 5.35 m， 15106 工作面岩 层赋存总体平较缓， 局部有波状起伏， 15106 工作面 最大倾角为 12， 最小倾角为 1， 平均倾角为 6.5， 为近水平煤层。煤层直接顶为黑色泥岩，基本顶为 粉砂岩， 直接底为铝质泥岩， 基本底为石灰岩。原始 煤层瓦斯含量为 9.012.0 m3/t。 15106 工作面沿走向 布置， 长度 1 543 m， 宽度 286 m， 两侧为已采空的 15104 工作面及 15108 工作面。 2沿空掘巷煤柱尺寸优化理论 2.1工作面煤柱覆岩结构特征及应力分布 回采工作面可视为 1 个宽度较大的煤柱，两侧 工作面回采后，在工作面煤体上方基本顶将形成一 定的块体结构。 该结构由顶板稳定块体 A、 铰接块体 B、 断裂垮落的块体 C 组成， 其中铰接块体 B 对于其 下方回采巷道布置起着关键性作用[13]。 邻近工作面回采后，基本顶破断，铰接块体 B 与稳定块体 A 相连， 块体 A 受回转力矩作用产生下 沉， 块体 A 与块体 B 处于不稳定状态， 导致煤柱工 作面靠近采空区侧形成高支撑应力状态，其造成的 影响远大于掘进巷道期间的应力重新分布。在两侧 靠近采空区的支撑应力影响下，回采工作面的应力 分布划分为卸压区、应力集中区及原岩应力区。将 回采巷道布置在关键块 B 下方的卸压区即可降低 回采巷道围岩应力， 起到卸压掘进的效果。 2.2沿空掘巷煤柱尺寸优化理论 根据内外应力场理论[14-15]， 支承应力场将分为 2 个部分 S1“内应力场” 、 S2“外应力场” ， 内外应力场 分布特征示意图如图 1。内应力场的支承压力来自 于基本顶，其分布特征由基本顶的自重及运动特征 决定；外应力场的支承压力来自于上覆岩层的总体 自重， 其分布和大小取决于开采深度、 煤岩强度和边 界条件。 沿空掘巷煤柱尺寸确定的基本原则是将巷道布 置在内应力场 （卸压区） 中，“内应力场” 力学模型如 图 2，图中 σx为侧向应力， σy为垂向应力， h 为煤层 厚度， S1为基本顶岩梁断裂时的长度， x 为煤体内任 意点距巷帮的水平距离， Gx为煤体刚度、 yx为煤体 压缩量， G0为靠近顶板断裂线处的煤体刚度， y0为 煤壁处的煤体压缩量。 图 1内外应力场分布特征示意图 Fig.1Schematic diagram of internal and external stress field distribution characteristics 153 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 315106 工作面数值模型 Fig.3Simulation model of 15106 face 图 415106 工作面垂直应力分布曲线 Fig.4Vertical stress distribution curve of 15106 isolated island face 表 1煤岩物理力学参数 Table 1Coal and rock physical and mechanical parameters 煤岩层 名称 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 内摩擦 角/ （ ） 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 视密度/ （kg m-3） 泥岩3.899.7331.466.021.112 581 中粒砂岩8.732.3132.548.001.172 400 粉砂岩7.435.3028.081.062.072 516 细粒砂岩9.261.9137.086.2062.482 632 泥岩3.899.7331.466.021.112 581 煤层2.208.6033.253.521.851 340 砂质泥岩3.899.7331.461.021.112 503 中粒砂岩8.732.3132.548.001.172 400 粉砂岩7.435.3028.0810.062.072 516 分布在内应力场 （S1） 范围中的支承压力 F 为 F＝ S1 0 乙σydx G0y0S1 6 （1） 根据 “内外应力场理论” ， 工作面内应力场分布 的垂直支承压力等于工作面初次来压临界点处基本 顶岩梁的质量， 则 G0y0S1/6LC0 n i 1 ΣMiρg（2） S1可表示为 S16LC0 n i 1 ΣMi ρg/ G 0y0 00 （3） 式中 S1为基本顶岩梁断裂时的长度， m； L 为工 作面长度， m； C0为工作面初次来压步距， m； Mi为基 本顶岩梁厚度， m； ρ 为基本顶岩层平均密度， t/m3； G0 为煤体刚度， GPa； y0为煤体的压缩量， m。 3沿空掘巷煤柱尺寸 3.1理论分析确定沿空掘巷煤柱尺寸 寺家庄矿 15106 工作面长 L 为 240 m，应用关 键层理论计算可得工作面初次来压步距 C0为 38 m （即关键块体 B 侧向长度） ，基本顶岩梁厚度为 4.6 m，基本顶平均密度为 2.65 t/m3，煤体刚度为 1.0 GPa， 煤壁处工作面煤体压缩率为 0.7 m， 可计算得 到 “内应力场” 范围 S1约为 10.5 m， 即卸压区宽度约 为 10.5 m。考虑现场地质开采条件， 巷道设计宽度 约 4.8 m， 为保证通风安全， 沿空掘巷煤柱尺寸为 4 6 m。 3.2应力分布模拟确定沿空掘巷煤柱尺寸 3.2.1数值模型 以寺家庄矿 15106 工作面的煤层地质条件为背 景建立 FLAC3D模型。模型长 800 m，宽 800 m， 高 160 m， 共计 2 293 104 个单元和 2 608 050 个节点， 15106 工作面数值模型如图 3。 模型载荷条件模型上部边界为 11.75 MPa 的 载荷， 按深度 470 m、 密度 2.5 t/m3确定垂直应力。 模 型边界条件左右为单约束边界，下部为全约束边 界。模型采用摩尔－库仑 （Mohr－Coulomb） 屈服准则， 煤岩物理力学参数见表 1。 3.2.2工作面应力分布特征 按照现场实际开采顺序， 先开采 15104 工作面， 再开采 15108 工作面，使 15106 工作面形成孤岛区 域。工作面煤体垂直应力分布曲线如图 4。 1） 邻近工作面回采完成后， 工作面两侧形成的 卸压区和应力集中区的宽度不会产生相互叠加， 15106 工作面距采空区约 45～205 m 区域为原岩应 力区。 2） 工作面内沿宽度方向的垂直应力呈 “马鞍形” 分布。 应力峰值位置距采空区边界 1520 m， 峰值约 27.4 MPa， 应力集中系数约 2.6。 3） 工作面两侧卸压区约为 912 m， 数值模拟分 析结果与理论计算结果基本一致。通过模拟分析进 154 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 5不同煤柱宽度垂直应力云图 Fig.5Vertical stress contour of coal pillar widths 一步确定沿空掘巷煤柱优化尺寸。 3.2.3沿空掘巷煤柱尺寸分析 根据理论分析结果， 设计分析方案共 4 个， 留设 煤柱宽度分别为 4、 5、 6、 7 m。对比分析不同宽度时 煤柱的稳定性并确定沿空掘巷煤柱宽度。不同煤柱 宽度垂直应力分布云图如图 5。 煤柱宽度 4 m 时，垂直应力峰值 5.85 MPa， 应 力集中系数 0.56； 煤柱宽度 5 m 时， 垂直应力峰值 8.76 MPa， 应力集中系数 0.83； 煤柱宽度 6 m 时， 垂 直应力峰值 10.34 MPa， 应力集中系数 0.98； 煤柱宽 度 7 m 时， 垂直应力峰值 15.79 MPa， 应力集中系数 1.50。为更加直观分析不同煤柱宽度的垂直应力分 布情况，采用 Fish 语言提出煤柱垂直应力数据， 不 同煤柱尺寸垂直应力分布曲线如图 6。 分析可知， 煤柱宽度 4～6 m 时， 煤柱垂直应力 逐渐升高， 但均低于原岩应力， 应力波动幅度较小； 煤柱宽度 7 m 时， 垂直应力显著升高， 垂直应力峰 值达到原岩应力 1.5 倍。说明煤柱尺寸 6 m 为临界 状态， 当煤柱宽度继续增大， 则无法进行沿空掘巷。 3.3应力分布现场测试确定沿空掘巷煤柱尺寸 3.3.1煤柱应力监测方案 为验证理论计算与数值模拟结果，在寺家庄矿 155 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 15106 同采区的 15116 工作面进行煤柱应力分布特 征测试。15116 工作面进风巷与 15118 工作面采空 区之间留有 20 m 煤柱，在工作面前方 200 m 以外 的煤柱侧布置监测断面， 每组断面间隔 50 m， 共布 置 3 组； 每组包含 5 个钻孔应力计， 其钻孔深度分别 为 2、 4、 6、 8、 10 m。钻孔监测方案平面布置如图 7。 3.3.2煤柱应力分布特征测试结果 随着工作面的不断推进，绘制 3 组监测断面同 一深度测点的平均值与其相对工作面位置关系曲线 如图 8。 在工作面前方的煤柱均引起了超前支承压力的 存在，并且超前支承应力极值点都出现在工作面前 方约 14 m。2、 4、 6、 8、 10 m 测点由采动引起的超前 支承压力应力集中系数分别为 1.10、 1.12、 1.18、 1.29、 1.57， 随着测点深度的增加， 煤柱应力呈上升趋势， 当测点深度为 26 m 时，煤柱应力上升趋势较慢， 当测点深度为 8 m 时，煤柱应力急剧上升。可知， 超 前支承应力的临界值出现在煤柱内 6 m 左右。 3.4沿空掘巷安全性分析及煤柱尺寸 3.4.1煤与瓦斯突出危险性 消除寺家庄矿综采工作面小煤柱掘进过程中的 煤与瓦斯突出危险性是保证安全生产的关键，为分 析巷道掘进的突出危险性，采用瓦斯含量指标， 分 析与采空区不同距离处突出危险性的大小，利用施 工的瓦斯抽采钻孔，对距采空区距离分别为 20.8、 23.8、 29.8 m 处进行了瓦斯含量测试， 距采空区不同 距离处瓦斯含量变化曲线如图 9。 巷道未开挖时，工作面煤体侧向的卸压消突范 围≥15 m，巷道按照留设 7 m 煤柱尺寸开挖后， 工 作面侧向煤体的卸压范围往工作面深部转移，工作 面侧向煤体的卸压消突范围会增加到 23.8 m （7 4.812） ； 若按照理论计算结果煤柱留设尺寸 4 m 来 开挖，工作面侧向煤体的卸压消突范围为 15～23.8 m， 15106 工作面回风巷两帮的卸压范围为 6.2～15 m， 单纯靠巷道的卸压不足以满足巷道两帮 15 m 范 围内无突出危险的要求， 因此还需要采取一定的补 充瓦斯抽采措施将 6.2～15 m 范围内瓦斯含量降低 图 9距采空区不同距离处瓦斯含量变化曲线 Fig.9Variation curves of gas content at different distances from the goaf 图 6不同煤柱尺寸垂直应力分布曲线 Fig.6Vertical stress distribution curves of coal pillar sizes 图 7监测断面布置示意图 Fig.7Monitoring sectional schematic arrangement 图 8不同深度测点应力变化值曲线 Fig.8Stress change curves of different depth points 156 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 11小煤柱掘进前后巷道围岩变形监测曲线 Fig.11Surrounding rock deation monitoring curves of roadway before and after pressure relief mining 图 1015106 工作面采掘工程平面图 Fig.10Mining plan of 15106 working face 到 8 m3/t 以下， 以保证掘进过程中的安全。 3.4.2巷道布置安全性 巷道布置除考虑沿空掘巷应力场分布及突出危 险性因素外，亦需要分析周边环境对巷道布置的影 响。 对于 15106 工作面， 采空区遗留钻场是影响巷道 布置安全性的重要因素。由于 15106 工作面两侧邻 近工作面巷道在掘进过程中均采用双耳钻场进行本 煤层条带掩护预抽， 钻场深度为 4.2 m， 为了防止掘 进过程中巷道穿透钻场，进入采空区造成事故， 需 考虑适当增大煤柱尺寸。 3.4.3沿空掘巷煤柱尺寸 基于沿空掘巷煤柱尺寸优化理论， 15106 工作 面沿空掘巷煤柱尺寸为 46 m； 15106 工作面应力 分布数值模拟结果表明，煤柱尺寸 6 m 为临界状 态； 15116 工作面煤柱应力分布特征测试结果表明， 侧向超前支承应力的临界值出现在煤柱内 6 m 左 右；从煤与瓦斯突出危险性方面分析，工作面侧向 煤体的卸压消突范围为 15～23.8 m；巷道布置安全 性分析表明，由于采空区遗留钻场的影响，需考虑 适当增大煤柱尺寸。 综上，寺家庄矿 15106 工作面采用 7 m 宽小煤 柱进行沿空掘巷是可行的，能够提高工作面开采的 安全性， 寺家庄矿 15106 工作面设计如图 10。 4综采工作面小煤柱掘进现场实践 4.1小煤柱掘进巷道围岩变形对比 分别在 15106 小煤柱掘进工作面和 15116 普通 工作面回风巷道布置 2 个巷道围岩位移测点，分析 15106 工作面进行小煤柱掘进的效果。小煤柱掘进 前后巷道围岩变形监测曲线如图 11。 1） 巷道围岩变形主要发生在回采期间工作面超 前 40 m 范围内， 采用沿空掘巷前， 顶底板最大移近 量约 564 mm， 两帮最大移近量约 316 mm。 2） 采用 7 m 小煤柱沿空掘巷后， 顶底板最大移 近量约为 324 mm， 两帮最大移近量约为 224 mm； 巷 道顶底板移近量及两帮移近量较未采用沿空掘巷前 分别降低了 42、 29， 巷道断面能够符合采掘生产 要求。 综上所述，现场实测数据验证了理论计算与数 值分析结果，寺家庄矿 15106 工作面采用宽度 7 m 的煤柱进行沿空掘巷有利于回采巷道的稳定性。 4.2小煤柱掘进效率及安全性 实施小煤柱沿空掘巷前掘进工作面每月平均进 尺 84.2 m，实施后 15106 工作面进回风巷道平均月 进尺 103.8 m， 月进尺提高了 23.3； 月进尺最高达 127.8 m， 平均月进尺 94 m， 是普通工作面平均月进 尺的 2.35 倍。掘进期间瓦斯浓度观测结果表明 15106 工作面进回风巷道迎头瓦斯最大 0.25， 平 均 0.04， 掘进回风瓦斯最大 0.35， 平均 0.15， 平均瓦斯涌出量为 0.87～1.12 m3/min。掘进期间， 消 突钻孔数量减少约 2/3， 可以保证安全生产。 5结论 1） 揭示了综采工作面上覆岩层结构特征， 确定 沿空掘巷巷道应布置在关键块体 B 下方， 应用内外 应力场理论、 关键层理论， 得到了回采工作面卸压区 宽度的计算方法。 2） 基于沿空掘巷煤柱尺寸优化理论， 分别对煤 柱应力分布特征进行数值模拟及现场测试，结合煤 与瓦斯突出危险性分析及巷道布置安全性分析， 确 定寺家庄矿 15106 工作面进行沿空掘巷的煤柱尺寸 为 7 m。 157 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 3） 寺家庄矿 15106 工作面小煤柱掘进现场实践 表明， 顶底板最大移近量约 324 mm， 两帮最大移近 量约 224 mm， 巷道顶底板移近量及两帮移近量较未 采用沿空掘巷前分别降低了 42、 29； 防突钻孔工 程量减少约 2/3， 15106 工作面进回风巷月平均进尺 提高至原始煤体中月平均进尺的 2.35 倍。 参考文献 ［1］ 王权， 屠世浩， 袁永， 等.孤岛综放工作面合理护巷煤 柱尺寸确定 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （1） 36-39. ［2］ 敖卫华， 黄文辉， 姚艳斌， 等.华北东部地区深部煤炭 资源特征及开发潜力 ［J］ .资源与产业， 2012， 14 （3） 84-90. ［3］ 孙升林， 王玉林.我国东部煤炭资源状况及勘查前景 浅析 ［J］ .煤炭经济研究， 2008 （7） 4-6. ［4］ 侯朝炯， 李学华.综放沿空掘巷围岩大、 小结构的稳定 性原理 ［J］ .煤炭学报， 2001， 26 （2） 1-7. ［5］ 马振乾， 姜耀东， 宋红华.构造破碎区沿空掘巷偏应力 分布特征与控制技术 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2017， 34 （1） 24-31. ［6］ 王朋飞， 冯国瑞， 赵景礼， 等.长壁工作面巷顶沿空掘 巷围岩应力分析 ［J］ .岩土力学， 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