大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定_张科学 (1)
第31卷 第2期 采矿与安全工程学报 Vol.31 No.2 2014年03月 Journal of Mining & Safety Engineering Mar. 2014 文章编号：1673-3363-(2014)02-0255-08
大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
张科学1，姜耀东2,3，张正斌4，张永平4，庞绪峰1，曾宪涛3
(1．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与
安全开采国家重点实验室，北京 100083；3．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，
北京 100083；4．山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)
摘要 大煤柱内沿空掘巷是基于工作面双U型巷道布置方式提出的一种新技术，本文针对其具体生产地质条件，运用极限平衡理论、数值分析和现场实践相结合的方法，得出大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定方法，即从上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤柱应力分布、巷道围岩应力分布、巷道围岩塑性区分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系及窄煤柱宽度的极限平衡理论计算6个方面综合考虑窄煤柱的宽度，最终确定窄煤柱宽度为5 m，并深度分析了本区段工作面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应力分布规律的影响。
关键词 大煤柱；窄煤柱；沿空掘巷；煤柱宽度；双U型
中图分类号 TD 353 文献标志码 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
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226801，2010CB226804)；国家自然科学基金项目(51174213)；新世纪优秀人才支持
计划项目(NCET-10-0775)；中央高校基本科研业务专项资金项目(2009QM001)
作者简介：张科学(1986-)，男，河南省永城市人，博士，从事冲击地压、巷道围岩控制方面的研究。
E-mail：zhkexue@163.com Tel：13366030731
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采矿与安全工程学报 第31卷
大煤柱内沿空掘巷是上区段工作面回采稳定以后，在大煤柱内沿上区段采空区边缘留窄煤柱掘进本区段工作面回采巷道，是基于工作面双U型巷道布置方式提出的一种新技术[1]。为研究方便，本文将大煤柱内沿空掘巷后两侧煤柱分别命名为窄煤柱和宽煤柱(如图1)，大煤柱内沿空掘巷后破坏了原有大煤柱内的围岩应力平衡，使得窄煤柱内和宽煤柱内的围岩应力重新分布，尤其在本区段工作面回采后，窄煤柱内和宽煤柱内的围岩应力进一步变化调整，以适应新的围岩变形，从而达到新的围岩应力平衡。回采巷道围岩的稳定性主要取决于围岩强度、应力状况及支护与围岩的相互作用关系
[2-4]
的3#煤层赋存于二叠系下统山西组(P1s)，煤层埋深平均为480 m，厚度平均为6.5 m，倾角平均为8°。E1303和E1305工作面长度为295 m左右，切眼至停采线长度为1 785 m左右。3#煤层顶底板岩性详见表1。E1305工作面巷道布置关系如图2。
表1 各岩层及节理力学参数
Table 1 Mechanical parameters of the various strata and joints
岩层 上覆岩层基本顶直接顶伪顶 煤层
直接底
基本底下覆岩层节理
体积模 量/GPa
剪切模量/GPa
密度/ 摩擦角 黏结力(kg·m-3) /(°) /MPa
抗拉强
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 正压刚度3 000 MPa、剪切刚度1 000 MPa、 黏结强度2.8 MPa、摩擦因数0.32
。
因此在大煤柱内沿空掘巷围岩强度、支护与围岩的相互作用关系一定的情况下，应力状况是决定其围岩稳定性的主要因素。大煤柱内沿空掘巷围岩应力较普通沿空掘巷复杂多变，为更好控制巷道围岩稳定性，更需对窄煤柱宽度进行合理确定。
图1 大煤柱内沿空掘巷空间位置关系示意图 Fig. 1 Showing the relationship of the spatial position of roadway driving along next goaf in large pillar
E1305工作面
m水平东翼回风大巷1
柏建彪等通过数值计算分析确定合理的窄煤柱宽度为：软煤4~5 m，中硬煤3~4 m；谢广祥等
[6]
[5]
图2 E1305工作面巷道布置示意图 Fig.2 Schematic diagram in E1305 workface
揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变化规律的影响，并指出护巷煤柱的合理宽度应小于巷帮实体煤内应力向煤柱内转移的临界宽度；王卫军等[7]得出基本顶给定变形下综放沿空掘巷合理窄煤柱宽度的计算公式；陆士良等[8]在分析研究200余条巷道实例的基础上，得出护巷煤柱宽度与巷道围岩变形的普遍关系表达式。而对大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定问题研究尚属空白。本文分析了上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤柱应力分布、巷道围岩应力分布、巷道围岩塑性区分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系，并深度分析了本区段工作面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应力分布规律的影响，得出大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定方法。
2 数值模拟模型建立
本文采用FLAC3D数值计算软件进行模拟分析。根据该矿现场地质条件和实际工作面空间位置关系，并综合考虑各方面的因素，建立大煤柱内沿空掘巷数值模型，如图3所示。整个模型尺寸(长×宽×高)确定为：220 m×220 m×75 m，共有316 800个块体、340 119个节点，+X方向为工作面的走向方向，+Y方向为巷道掘进方向，+Z方向为垂直向上，模型上部边界施加的载荷按采深441.5 m计算，底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定；根据现场地质资料，侧压系数为1.2。E1305工作面模拟回采长度80 m，E1303工作面模拟回采长度80 m。E1303瓦排巷断面为矩形断面，宽为5.0 m，高为3.5 m，沿顶板掘进。护巷煤柱宽度的确定与沿空巷道支护方式有重要关系[9]，本文模拟的巷道支护采用锚杆支护技术，模拟中锚杆支护强度可达0.25 MPa左右。各岩层及节理力学参数详见表1。
1 试验巷道工程概况
试验巷道为某矿E1303工作面瓦排巷(以下简称“E1303瓦排巷”)，E1303和E1305工作面回采
第2期 张科学等：大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
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数值计算过程为：原岩应力平衡计算→掘进E1305运输巷和E1305辅运巷(E1303回风巷，即E1305工作面回采完毕以后作为下一个工作面(E1303工作面)的回风巷)及锚杆支护计算→E1305工作面回采计算→掘进E1303瓦排巷(大煤柱内沿空掘巷)及锚杆支护计算→E1303工作面回采计算。
E1305工作面(上区段回采)
E1303瓦排巷(沿空掘巷)窄煤柱宽煤柱
E1303工作面(本区段回采)
下覆岩层基本底直接底煤层伪顶直接顶基本顶上覆岩层
C0?
K?H??tan?0mA
ln?X1?
Z2tan?0?
??tan?A0?
?
?? ? (2)??
式中：m为煤层采厚，6.5 m；A为侧压系数，A=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.22，则A=0.28；φ0为煤层界面的内摩擦角，24°；C0为煤层界面的黏结力，2.9 MPa；K为应力集中系数，取1.4；γ为岩层平均容重，25 kN/m3；H为巷道埋深，480 m；pZ为支架对煤帮的支护阻力，0。
根据以上条件进行估算，得到X1=2.63 m，X2=1.15~1.91 m，由此可以得出B=4.97~5.74 m。为了使锚杆的锚固段能够安设在稳定的煤体中，最终确定煤柱宽度为5.0 m。 3.2 窄煤柱宽度的数值计算
3.2.1 采空区侧向支承应力分布规律
工作面回采以后的应力状况对巷道围岩的稳定性起着至关重要的作用。采空区侧向支承应力三维数值模型如图5所示。E1305工作面回采稳定以后，在煤层直接顶上方2 m处布置观测线，分析E1303瓦排巷围岩的应力分布规律，本文以垂直应力分布为例进行分析研究，具体如图6所示。
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