含瓦斯抽放钻孔沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究_李尧.pdf

第 2 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 1 2020 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb. 2020 013007-1 李尧， 杜刚. 含瓦斯抽放钻孔沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报， 2020， 2 1 013007. LI Yao， DU Gang. Reasonable width of narrow coal pillars in roadway driving with gas drainage hole[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering， 2020， 2 1 013007. 含瓦斯抽放钻孔沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究 李 尧 1， 杜 刚1,2 1. 山西石泉煤业有限责任公司， 山西 长治 046200； 2. 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221116 摘 要 以石泉煤业30108综放工作面轨道巷沿空掘巷为背景， 通过理论分析计算了最小煤柱 宽度， 并采用UDEC软件对不同区域钻孔段、 钻孔延伸段合称钻场内、 不布置钻孔段内不 同宽度5～20 m煤柱下的弹塑性区和垂直应力分布进行模拟， 从而分析了不同条件下围岩稳 定性与煤柱承载能力。研究结果表明 ① 根据岩体极限平衡理论， 煤柱最小宽度为8.94 m； ② 在数值模拟中， 煤柱宽5， 6 m时， 3种煤柱内的大部分区域处于破坏状态； 煤柱宽10 m以上时， 钻场内煤柱顶底板剪切破坏区域相互贯通； 在钻场延伸段8， 9 m的煤柱应力集中较10 m的明显， 在钻场内7～9 m的煤柱边缘拉伸破坏区域较10 m的大。综合理论分析和数值模拟结果， 建议煤 柱宽度应选为10 m。现场实践验证了煤柱宽度的合理性， 并取得了显著的经济效益。 关键词 窄煤柱宽度； 钻孔； 数值模拟； 沿空掘巷； 围岩稳定性 中图分类号 TD 822.3 文献标志码 A 文章编号 2096-7187202001-3007-09 Reasonable width of narrow coal pillars in roadway driving with gas drainage hole LI Yao ， DU Gang 1. Shanxi Shiquan Coal Industry Co.， Ltd.， Changzhi 046200， China； 2. School of Mines， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China Abstract Taking the roadway along the 30108 working face of Shiquan Coal Mine， the minimum coal pillar width was calculated by theoretical analysis； UDEC software was used to simulate the distribution of elastoplastic zone and vertical stress distribution different areasno drilling section or drilling section under different width5-20 m coal pillars in the borehole extension section， and analyze the stability of surrounding rock and bearing capacity of coal pillar under different conditions. The results showed that according to the theory of limit equilibrium of rock mass， the minimum width of coal pillar is 8.94 m； when the coal pillar is 5， 6 m wide， most of the coal pillars are in a state of failure； when the coal pillar is more than 10 m wide， the shear failure zone of the coal pillar top and bottom in the drill field is mutually connected； within the drill field， the 8， 9 m coal pillar stress concentration is more obvious than 10 m， the 7-9 m coal pillar edge tensile failure zone is larger than 10 m. Based on comprehensive theoretical analysis and numerical simulation results， it is recommended that the coal pillar width should be chosen to be 10 m. Field practice verified the rationality of the coal pillar width and achieved significant economic benefits. Key words narrow coal pillar width； borehole； numerical simulation； gob-side entrydriving； surrounding rock stability 收稿日期 2019-04-02 修回日期 2019-05-22 责任编辑 施红霞 作者简介 李尧1994， 男， 山西襄垣人， 助理工程师， 主要从事煤矿开采与采场矿压控制等方面的研究工作。E-mail 1206010835 通信作者 杜刚1980， 男， 山西肥城人， 工程师， 硕士研究生， 主要从事煤矿开采方面的研究工作。E-mail 471603996 ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 12020 013007 013007-2 煤矿资源在我国的能源结构中占有重要地 位 ， 采用窄煤柱护巷、 沿空掘巷的方式布置工作面 回采巷道是提高煤矿资源采出率的有效途径之 一 。窄煤柱合理宽度的确定是巷道支护设计中 重要的组成部分， 将直接关系到煤矿安全生产与经 济效益。 目前， 沿空掘巷留设窄煤柱的合理宽度一般采 用理论分析与数值模拟确定， 许多学者进行了大量 的相关工作， 姜耀东等 对黄岩汇煤矿15111工作面 所在褶曲构造区域的地应力进行了反演， 并以此为 基础， 模拟了巷道围岩在不同煤柱宽度下的应力分 布与变形特征， 确定了适用于该矿的沿空巷道窄煤 柱宽度； 牛光勇等 运用FLAC 软件对倾斜中厚煤 层条件下的沿空掘巷煤柱留设最优尺寸进行了分 析； 张科学等 采用数值模拟分析了不同煤柱宽度 下应力场、 位移场特征， 并综合运用极限平衡理论、 现场工业性试验等方法， 确定了窄煤柱最优宽度； 李磊等 分析了沿空掘巷下的应力场分布， 并推导 了内应力场与煤柱宽度的关系式， 在考虑片帮、 积 水等因素下， 确定了窄煤柱最优宽度， 此外还提出 了一系列针对非对称综放沿空掘巷技术措施； 张炜 等 采用FLAC 软件比较了沿空掘巷下， 孤岛工作 面和常规工作面超前支撑压力的差异， 并针对孤岛 工作面窄煤柱护巷的力学模型、 围岩控制机理、 围 岩变形控制对策煤柱宽度进行了研究； 查文华等 针对恒昇煤业浅埋厚煤层坚硬顶板的地质条件， 分析了基本顶断裂线位置与关键块回转角和煤柱 上覆载荷之间的关系， 并计算了实际工况下的基本 顶断裂线位置和最小煤柱宽度， 综合确定了沿空掘 巷最优窄煤柱宽度； 郑西贵等 在综合考虑掘巷扰 动和工作面超前采动影响下， 采用综合方法研究了 掘采全过程中沿空掘巷小煤柱的应力分布与演化 规律， 分析了淮南谢桥矿13126工作面窄煤柱的合 理宽度； 张广超等  采用FLAC 软件对大断面综 放沿空巷道煤柱、 高强度开采综放工作面区段煤柱 等特殊工况下煤柱宽度与围岩控制进行了一系列 研究， 为王家岭煤矿、 羊场湾煤矿的工程实践提供 了有力指导。综上可以看出， 布有瓦斯抽放钻孔的 窄煤柱合理宽度的相关研究较少。 对于高瓦斯矿井而言， 为保证沿空掘巷下掘进 工作面的安全生产， 一般沿掘进方向布有瓦斯抽放 钻孔。瓦斯抽放钻孔将一定程度破坏煤柱的完整 性， 改变煤柱内应力场和应变场。在考虑瓦斯抽放 钻孔的前提下， 研究窄煤柱的合理宽度对高瓦斯矿 井应用留设窄煤柱沿空掘巷的技术具有重要的指 导意义。 笔者以石泉煤业30108综放工作面轨道巷沿空 掘巷为背景， 通过理论分析确定了最小煤柱宽度， 并结合数值模拟UDEC研究了不同区域内不布置 钻孔段、 钻孔段、 钻孔延伸段窄煤柱不同宽度下的 弹塑性区分布、 垂直应力场变化规律， 从而对不同 宽度的窄煤柱的围岩稳定性、 承载能力进行分析， 确定了该工作面的合理煤柱宽度。 1 巷道概况 石泉煤业30108综放工作面开采的3号煤层属 二叠系下统山西组， 赋存较为稳定， 煤层厚度5.05～ 6.25 m， 平均5.65 m， 煤层倾角5～7， 工作面内煤层 底板标高为390～410 m。煤层顶板岩性为砂岩、 细 砂岩、 粉砂岩、 砂质泥岩和泥岩， 底板岩性为泥岩、 砂质泥岩、 粉砂岩。岩层物理力学参数是支护设计 的基本参数 ， 本文所选用的岩层物理力学参数见 表1。30108工作面位于301采区西部， 其轨道巷位 于30102工作面采空区西侧， 沿3号煤层底板掘进， 巷 道 设 计 长 度 916.58 m ， 断 面 为 矩 形 ， 尺 寸 为 4.8 m3.3 m。 表1 岩层基本力学参数 Table 1 Basic mechanical parameters of rock ation 岩层 岩石名称 内摩擦 角/ 黏聚 力/MPa 抗拉强 度/MPa 抗压强 度/MPa 基本顶 中粒砂岩 40 8.2 3.00 76.6 细粒砂岩 39 10.8 4.30 71.3 直接顶 粉砂岩 34 7.2 1.90 37.7 砂质泥岩 35 4.8 1.50 31.7 泥岩 31 4.5 0.73 27.0 伪顶 泥岩 31 4.0 1.10 23.3 煤层 煤 31 1.1 1.10 11.8 伪底 泥岩 31 2.9 0.40 17.6 直接底 粉砂岩 38 5.5 2.30 41.6 砂质泥岩 36 5.4 1.60 33.3 泥岩 37 3.8 0.91 16.6 基本底 中粒砂岩 41 7.7 4.00 83.0 细粒砂岩 42 10.9 3.90 79.0 ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 1 2020 013007 013007-3 据矿井地质报告和现有生产资料， 该矿井3号 煤层瓦斯的含量较高， 属高瓦斯矿井。30108轨道 巷掘进时需要进行抽采瓦斯， 钻场瓦斯抽采钻孔平 行布置。 2 煤柱最小宽度理论分析 为避免煤炭资源损失， 煤柱宽度应尽可能减 小， 但当煤柱过窄时， 煤柱内部均为破碎区和塑性 区， 稳定性和承载能力极低， 锚杆难以锚固， 支护结 构易失效。因此， 确定合理的区段煤柱宽度， 既可 保证锚固效果、 减小巷道变形， 又能减小煤炭损 失。 沿空掘巷区段煤柱宽度可分为图1中的3部分， 其中X 为沿空巷道锚杆锚固有效长度； X为区段煤 柱受上区段采动影响产生的塑性破坏区宽度； X 为 考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数， 根据 工程地质条件选取， 本文按照0.3X X计算。 X  X  X  B 图1 窄煤柱宽度计算 Fig. 1 Narrow coal pillar width calculation 根据岩体极限平衡理论 可知， 塑性区宽度 X 表达式为 2 1 2 cot ln cot Mk HC X fPC      1 式中， M为煤层开采厚度， 取3.1 m； k为应力集中系 数， 取3； γ为上覆岩层平均容重， 取24 kN/m ； H为巷 道埋深， 取455 m； C为煤体黏聚力， 取1.08 MPa； φ为 煤体内摩擦角， 取31.2； ξ为三轴应力系数， 取 3.15； f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数， 取0.2； P 为支架对煤帮的阻力， 取0.1 MPa。 由此可得  2 3 1 23 150 2 3 0 0244551 08 1 65 4 68 3 15 0 1 1 08 1 65 . .. ... ln. m .... X      2 当沿空巷道锚杆锚固有效长度为2.2 m， 则煤柱 宽BX XX2.24.680.32.24.688.94 m， 因 此煤柱宽度应不小于8.94 m。 3 煤柱宽度对支撑能力的影响模拟分析 一般而言， 布有瓦斯抽放钻孔的煤柱内存在3 个区域 不布置钻孔段、 钻孔段和钻孔延伸段。不 布置钻孔段是指原始煤柱的区域， 而钻孔段为打有 瓦斯抽放钻孔的煤柱区域， 钻孔延伸段为瓦斯抽采 钻孔打至预定位置， 按照设计角度延伸部分的煤柱 区域。与原始煤柱不同， 钻孔段与钻孔延伸段钻场 内的煤柱均具有一定程度的破坏。因此， 基于理论 计算结果， 参考邻近工作面支护方案， 采用UDEC数 值模拟软件对3个区域内煤柱宽为5～20 m的窄煤柱 弹塑性区分布和垂直应力进行研究。 3.1 模拟方案 3.1.1 模型建立 以石泉煤业30108工作面和上下覆岩条件为依 据， 构建了300 m宽120 m高的模型， 其中包含 煤层和顶底板等23个岩层， 岩层倾角设为6。模型 两侧及底边约束水平位移， 模型顶边添加应力边界 条件。模型中上覆岩层平均容重和厚度分别按 24 kN/m ， 455 m计算， 施加上边界的垂直应力为 10.92 MPa。此外， 岩石的本构方程采用摩尔-库仑 模型。构建好的模型如图2所示。 图2 计算模型 Fig. 2 Calculation mode 3.1.2 模拟方案 为研究30108轨道巷煤柱的合理宽度， 分别计 算了不布置钻孔段、 钻孔段及钻孔延伸段煤柱宽度 为5， 6， 7， 8， 9， 10， 12， 14， 16， 18， 20 m时的模型， 分 析了不同条件下巷道围岩的弹塑性区分布， 并通过 在窄煤柱内布置测点对垂直应力进行监测， 研究了 煤柱的支撑能力。 需要注意的是， 为模拟钻孔的影响， 根据钻孔 布置的相对位置， 对模型中对应位置的块体进行删 除。为表示钻孔的空间位置， 绘制了钻孔布置示 10.29 MPa ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 1 2020 013007 013007-4 意， 如图3所示。钻孔设计孔深100 m， 孔径94 mm，延伸部分控制范围为巷帮向里3～15 m。 30102 工作面 3 000 1 680 1 750 1 830 3 000 2 580 1 000 3 420 4 400 2 950 3 850 30108轨道巷 a 5 m 30102 工作面 3 000 2 370 4 020 3 260 4 770 5 770 1 830 2 060 2 290 3 000 1 000 30108轨道巷 b 7 m 30102 工作面 3 000 3 580 4 950 7 390 13 370 1 000 2 520 3 440 4 360 9 840 3 000 e 18 m 30108轨道巷 30102 工作面 3 000 2 520 2 980 2 960 4 940 3 720 6 160 7 840 2 070 1 000 3 000 30108轨道巷 c 10 m 30102 工作面 3 000 3 740 5 250 11 220 8 210 14 750 1 000 2 830 4 360 1 900 3 000 30108轨道巷 f 20 m 7 080 3 000 3 000 3 110 9 230 4 030 5 550 1 000 1 972 2 820 3 440 30108轨道巷 d 12 m 30102 工作面 图3 钻场内钻孔布置示意 Fig. 3 Schematic diagram of drilling arrangement in the drill field 为表征煤柱内应力集中程度， 定义应力集中系 数为 /K 3 式中， σ为煤柱中垂直应力峰值， MPa； σ为原岩应 力， 本模拟中为12.4 MPa。 3.2 不布置钻孔段煤柱宽度对支撑能力的影响 不布置钻孔段不同宽度煤柱的弹塑性区分布 如图4所示。 a 煤柱宽5 m b 煤柱宽6 m c 煤柱宽7 m d 煤柱宽8 m ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 1 2020 013007 013007-5 由图 4 可知 ① 煤柱内未破坏区范围随着煤柱 宽度的增大逐渐增加。煤柱宽 5 m 和 6 m 时， 煤柱 内塑性破坏区贯通， 破坏严重； 煤柱宽 7 m 时， 巷帮 出现未破坏区； 煤柱宽 8 m 和 10 m 时， 煤柱内未破 坏区进一步增加， 未破坏区宽度最大已达 2.6 m 和 6.0 m。随着未破坏区范围的增大， 煤柱内出现锚固 点， 认为 7～9 m 适合锚固。② 不同宽度下， 完整煤 柱内部均以剪切破坏为主， 而煤柱两侧以拉伸破坏 为主， 可采用锚杆-锚索支护， 削减煤体内拉应力， 增强煤块间剪切强度， 以提高稳定性。 图 5 为不布置钻孔段不同宽度煤柱内垂直应 力分布， 图 6 为煤柱内垂直应力随宽度变化。 -10-50510 0 5 10 15 20 25 30 35 40 垂直应力/MPa 距煤柱中心距离/m 原岩应力 12.4 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m 12 m 14 m 16 m 18 m 20 m 图5 不布置钻孔段不同宽度煤柱内垂直应力分布 Fig. 5 Vertical stress distribution in coal pillars of different widths without drilling sections 由图5和图6可知 ① 煤柱宽5， 6 m时， 应力集中 系数为2.76和2.30， 煤柱内应力集中较为明显， 且高 应力区比重较小， 煤柱承载能力较小； ② 煤柱宽7～ 9 m时， 垂直应力峰值有所增加但增值不大， 应力集 中系数分别为1.99， 2.07和2.22， 应力集中现象较5， 6 m时的煤柱减弱， 且煤柱内高应力区比重较大， 煤 柱具有较强的承载能力； ③ 煤柱宽9～14 m时， 应力 集中系数在2.25附近波动， 这表明煤柱宽度增加但 应力集中并未改善； ④ 煤柱宽16～20 m时， 随着煤 柱宽度的增加， 垂直应力峰值小幅下降后回升， 煤 柱宽18 m和20 m时， 应力集中系数分别为2.06和 2.13， 与煤柱宽8 m时相近。同时， 这一区间内， 煤柱 宽度的增加使得煤柱内垂直应力分布趋于平稳， 受 力状态得到改善。 综上， 当不布置瓦斯抽采钻孔时， 煤柱宽7～ 9 m时煤柱内部存在一定未破坏区域， 可满足锚杆 锚固需求， 且此时应力集中系数为1.99～2.22， 煤柱 内高应力区比重较大， 煤柱具有较强的承载能力。 故当煤柱宽7～9 m时便可实现无钻孔窄煤柱护巷 下巷道围岩的稳定。 3.3 钻场内煤柱宽度对煤柱支撑能力的影响 钻孔段不同宽度煤柱的弹塑性区分布如图7所 示。 由图7可知， 煤柱宽5， 6 m时， 煤柱内部分区域 发生剪切破坏， 而钻孔附近和两帮存在较大的拉伸 破坏区， 整体受力状况较差； 煤柱宽7～10 m时， 煤 柱内剪切破坏区范围有所增加， 但煤柱整体的破坏 程度减小， 表明煤柱具有一定的承载能力； 煤柱宽 12～18 m时， 煤柱内未破坏区域显著增大， 但顶底 板中具有明显的剪切破坏区域； 煤柱宽20 m时， 剪 e 煤柱宽9 m f 煤柱宽10 m 图4 不布置钻孔段不同宽度煤柱的弹塑性区分布 Fig. 4 Distribution of elastoplastic zone of coal pillars of different widths without drilling sections 468101214161820 0 5 10 15 20 25 30 35 40 垂直应力/MPa 煤柱宽度/m 原岩应力 12.4 均值峰值 图6 不布置钻孔段垂直应力随煤柱宽度变化 Fig. 6 Vertical stress of the drilled section is not changed with the width of the coal pillar ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 1 2020 013007 013007-6 切破坏区显著增大， 顶底板及煤柱内的塑性破坏 有破坏倾向性。钻孔延伸段的煤柱弹塑性区特 征与钻孔段的基本一致， 但因钻孔延伸， 煤柱内塑 性破坏区范围相应增大， 由于篇幅所限， 不再赘 述。 图8为钻孔段不同宽度煤柱内垂直应力分布， 图9为钻孔段煤柱内垂直应力场随宽度的变化曲 线。 由图8和9可知 ① 与不布置钻孔段的曲线不 同， 煤柱内局部区域的垂直应力存在因钻孔破坏后 应力转移而导致减小或增大， 所以垂直应力分布出 现波动， 煤柱易出现过高、 过低应力区， 不利于承 载。② 钻孔段与不布置钻孔段垂直应力峰值即应 力集中系数随煤柱宽度变化规律较为相似 煤柱宽 5， 6 m时， 应力集中较为明显应力集中系数为2.42， 2.31， 高应力区比重较小， 煤柱受力状况差； 煤柱宽 a 煤柱宽5 m b 煤柱宽7 m c 煤柱宽10 m d 煤柱宽12 m e 煤柱宽18 m f 煤柱宽20 m 图7 钻孔段不同宽度煤柱的弹塑性区分布 Fig. 7 Distribution of elastoplastic zone of coal pillars with different widths with the borehole section -10-50510 0 5 10 15 20 25 30 35 40 垂直应力/MPa 距煤柱中心距离/m 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m 12 m 14 m 16 m 18 m 20 m 原岩应力 12.4 图8 钻孔段不同宽度煤柱内垂直应力分布 Fig. 8 Vertical stress distribution in coal pillars with different widths in the borehole section 68101214161820 0 5 10 15 20 25 30 35 40 垂直应力/MPa 煤柱宽度/m 均值峰值 原岩应力 12.4 4 图9 钻孔段垂直应力随煤柱宽度变化 Fig. 9 Vertical stress of borehole section varies with coal pillar width ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 1 2020 013007 013007-7 7 m时， 应力集中最弱1.90， 但煤柱中仍存在一些低 应力区； 煤柱宽8～14 m时， 应力集中系数虽然增大 至2.42， 但煤柱内高应力区较多， 可通过加固钻孔等 措施改善受力、 实现承载； 煤柱宽14～20 m时， 随着 煤柱的加宽， 应力集中现象减弱， 应力集中系数最 后降至2.00左右。③ 垂直应力均值则在煤柱宽5～ 14 m时呈增加趋势， 在14～20 m时趋于稳定。此 外， 钻孔后的垂直应力均值由于应力转移较未钻孔 有所减小， 由20 MPa减小至17.8 MPa， 平均减小了 11。 图10为钻孔延伸段不同宽度煤柱内垂直应力 分布， 图11为钻孔延伸段煤柱内垂直应力随宽度的 变化曲线。 -10-50510 0 5 10 15 20 25 30 35 40 垂直应力/MPa 距煤柱中心距离/m 原岩应力 12.4 -5 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m 12 m 14 m 16 m 18 m 20 m 图10 钻孔延伸段不同宽度煤柱内垂直应力分布 Fig. 10 Vertical stress distribution in coal pillars with different widths in the borehole extension 68101214161820 0 5 10 15 20 25 30 35 40 垂直应力/MPa 煤柱宽度/m 原岩应力 12.4 均值峰值 4 图11 钻孔延伸段垂直应力随煤柱宽度变化 Fig. 11 Vertical stress field of borehole extension varies with coal pillar width 由图10可知 与钻孔段类似， 因存在钻孔延伸 带来的局部破坏， 煤柱内垂直应力波动较大， 且煤 柱越窄5～9 m受影响程度越大， 尤其在煤柱宽5 m 和6 m时30108轨道巷侧煤壁垂直应力已接近于0， 垂直应力分布的不均匀对称将导致煤柱极易发生 破坏失稳。煤柱宽10 m以上时虽然仍有波动， 但垂 直应力分布波动区域均为高应力区， 且峰值和低谷 值相差不大， 随着煤柱宽度的增加， 垂直应力分布 波动逐渐减小， 煤柱受力改善， 利于承载。图11表 明， 煤柱宽10 m以内时， 垂直应力峰值变化较大， 其 中， 当煤柱宽度处于8～10 m时， 垂直应力峰值出现 下降， 应力集中现象减小； 煤柱宽10 m以上时， 峰值 应力变化逐渐趋于平缓， 但仍存在一定波动14～ 16 m。煤柱内垂直应力均值随着煤柱宽度的增加 逐渐稳定， 最终稳定于18 MPa。 综上， 对于钻场内的煤柱而言， 煤柱宽5， 6 m 时， 煤柱内存在较多低应力区， 且煤柱基本处于完 全破坏状态； 煤柱宽7～10 m时， 煤柱破坏程度减 小， 通过加固可实现承载， 且煤柱宽10 m时， 存在的 应力集中现象和煤柱边缘拉伸破坏均较弱； 煤柱宽 12～20 m时， 煤柱顶底板出现剪切破坏， 破坏区域 相互贯通， 煤柱呈向巷道侧剪切的状态。 4 考虑瓦斯抽放钻孔下的煤柱合理宽度综 合分析 综合分析不布置钻孔段、 钻孔段、 钻孔延伸段3 个区域内煤柱的弹塑性区与垂直应力场， 可得 煤 柱宽5， 6 m时， 3种煤柱内的大部分区域处于破坏状 态， 承载能力较弱； 煤柱宽10 m以上时， 钻场内煤柱 顶底板剪切破坏区域相互贯通， 煤柱呈剪切破坏趋 势； 煤柱宽7～10 m时， 煤柱承载能力相对较好， 由 于在钻孔延伸段， 8～9 m的煤柱应力集中较10 m的 明显承载差； 在钻场内， 7～9 m的煤柱边缘拉伸破 坏区域较10 m的大不利于锚杆锚固， 再结合理论 计算结果不小于8.94 m， 从保障煤柱承载能力和锚 杆锚固效果出发， 建议煤柱宽度选为10 m。 5 工程实践 30108工作面轨道巷沿3号煤层底板布置， 采用 留设10 m窄煤柱护巷、 沿空掘巷的工艺进行掘进。 巷道支护系统为“锚索网梁”联合支护， 并采用锚 索对靠近30102采空区一侧的顶角及侧帮加强支 护。此外， 在钻场内， 为减小应力集中、 提高承载能 力 ， 采用高水材料注浆加固、 煤柱短锚索等工程 措施对煤柱补强。 通过监测掘进、 回采期间30108工作面轨道巷 的两帮和顶板位移， 对支护效果进行分析， 结果如 图12和13所示。由图12， 13可知， 掘进过程中两帮 ChaoXing 李 尧等采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 1 2020 013007 013007-8 和顶板最大相对位移量小于0.10 m和0.15 m； 而回采 过程中， 两者小于0.6 m和0.7 m。现场应用效果说 明， 根据理论分析和数值模拟确定的窄煤柱宽度能 够满足该工作面生产地质条件。 0 20 40 60 80 100 120 140 160 相对位移量/mm 时间/d 顶底板 两帮 1 3 5 7 9 11 131517 1921 2325 303550 80120 图12 掘进过程围岩变形量 Fig. 12 Deation of surrounding rock during excavation 0 100 200 300 400 500 600 700 相对位移量/mm 距工作面距离/m 102030405060708090 100 150 顶底板 两帮 图13 回采过程围岩变形量 Fig. 13 Deation of surrounding rock during mining 此外， 通过在30108综放工作面实施10 m窄煤 柱护巷沿空掘巷技术， 较原有支护方案煤柱宽 25 m， 煤炭采出率提高了7.25， 经济效益明显。若 将此套技术方案推广至全矿井， 初步预期矿井可增 加可采储量350余万吨， 延长矿井服务年限约3 a。 6 结 论 1 根据岩体极限平衡理论， 计算得出煤柱宽 度应不小于8.94 m。 2 通过数值模拟， 研究了不同区域内不布置 钻孔段、 钻孔段、 钻孔延伸段窄煤柱宽度为5～20 m 下的弹塑性区分布、 垂直应力变化规律， 结果表明 煤柱宽5， 6 m时， 3种煤柱内的大部分区域处于破坏 状态， 承载能力较弱； 煤柱宽10 m以上时， 钻场内煤 柱顶底板剪切破坏区域相互贯通， 煤柱呈剪切破坏 趋势； 煤柱宽7～10 m时煤柱承载能力较好， 但钻场 内， 8， 9 m的煤柱应力集中较10 m明显； 7～9 m的煤 柱边缘拉伸破坏区域较10 m的大。 3 综合理论分析和数值模拟结果， 建议煤柱 宽度选为10 m。现场实践验证了煤柱宽度的合理 性， 并取得了显著的经济效益。 参考文献 References [1] 高超， 徐乃忠， 刘贵， 等. 中国煤炭行业发展面临的挑战与机遇 [J]. 煤矿开采， 2019， 24 1 1-5. 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