大采高综放面区段煤柱合理留设研究_孔德中 (1)

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大采高综放面区段煤柱合理留设研究_孔德中 (1)

第35卷增刊2

2014年10月

文章编号：1000－7598(2014)增2－0460－07岩土力学RockandSoilMechanicsVol.35Supp.2Oct.2014

大采高综放面区段煤柱合理留设研究

孔德中，王兆会，李小萌，王颜亮，王

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）闯

摘要：侧向支承压力分布、资源回收率以及煤柱和巷道的稳定性是大采高综放面区段煤柱宽度留设要兼顾的因素，为了确定大采高综放面区段煤柱宽度，以某矿8103面为工程背景，首先，采用理论计算和现场应力监测等方法确定大采高综放工作面倾向支承压力分布规律，得出应力降低区宽度约为8m，原岩应力区为巷帮侧28m外。其次，采用工程类比方法确定大采高综放工作面巷帮外侧煤体严重破裂区宽度约为4m。最后，采用FLAC3D数值软件分析了下区段工作面回采时窄煤柱（6、8m）和宽煤柱（28、30m）的应力场、位移场及塑性区特征，获得不同煤柱宽度时巷道和煤柱力学特征。研究表明：当煤柱宽度6m和8m时，在采动支承压力下煤柱几乎无承载能力，且巷道变形量较大；当煤柱宽度28m和30m时，在采动支承压力下煤柱中央仍有一定的弹性核，煤柱保持稳定且巷道变形量较小。综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素，确定大采高综放工作面区段煤柱宽度为28m。

关键词：大采高综放；倾向支承压力；区段煤柱；数值模拟

文献标识码：A中图分类号：TD45

Studyofreasonablewidthoffull-mechanizedtop-coalcaving

withlargeminingheight

KONGDe-zhong，WANGZhao-hui，LIXiao-meng，WANGYan-liang，WANGChuan

（FacultyofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China）

Abstract:Thesideabutmentpressuredistribution,theresourcesrecovery,thestabilityofcoalpillarandtheminingroadwayareconsideredindeterminingreasonablewidthoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheight.Inordertodeterminethereasonablewidth,takingthe8103mineastheengineeringbackground,firstly,thesideabutmentpressuredistributionoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisstudiedbyusingstressmonitoringandtheoreticalcalculation;and8minwidthoflowstresszone,morethan28minwidthoforiginalrockstresszonearedetermined.Secondly,thewidthoffracturedzoneinsidecoalmassoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisdeterminedbyusingengineeringanalogyandnumericalsimulation,andabout4minwidthoffracturedzoneisdetermined.Finally,thestress,thedeformationandfractureanddisplacementofthegatewayexcavatingandthecoalpillarsunderdifferentwidthsofcoalpillarsaresimulatedbyFLAC3D.Thestudyresultsshowthatthecoalpillaralmosthavenobearingcapacityandtheroadwayhaslargedeformationandfailureundertheinfluenceofminingabutmentpressurewhenthewidthofsegmentpillaris6mor8m;thecoalpillarhasthestrongerbearingcapacityandtheroadwayhassmalldeformationandfailureundertheinfluenceofminingabutmentpressurewhenthewidthofsegmentpillaris28mor30m.Allinall,variouselementssuchasresourcesrecovery,roadwaysupportcontrol,andsecondarydisastercontrolareconsideredcomprehensively;andthereasonablewidthofsegmentpillaroffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisdeterminedas28m.

Keywords:full-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheight;thesideabutmentpressure;segmentpillar;numericalsimulation

1引言高综放技术开采的优越性得到普遍认可，越来越多

的特厚煤层（15～20m）矿井采用大采高综放开采技术。由于综放开采本身存在资源浪费大的缺点，近年来，随着综合机械化水平的提高以及大采

收稿日期：2013-07-22

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）(No.2013CB227903)；国家自然科学基金(No.51004109)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题(No.SKLCRSM11KFB05)；中央高校基本科研业务费专项资金(No.2010QZ02)。

第一作者简介：孔德中，男，1988年生，博士研究生，主要从事岩石开挖与支护方面研究工作。E-mail:1361316170@qq.com

增刊2孔德中等：大采高综放面区段煤柱合理留设研究461

就为大采高综放面区段煤柱合理留设提出更高要求。区段煤柱的作用一方面是隔离采空区，另一方面是保证下区段巷道的稳定性。煤柱的合理宽度不仅关系到回采巷道的支护效果，而且影响煤矿的安全生产及经济效益。煤柱过窄，虽然能减少煤炭损失，但煤柱容易失稳，不仅给巷道维护造成困难而且容易造成采空区漏风；煤柱过宽，不仅导致煤炭资源的浪费，而且难以保证巷道处在支承压力卸压带范围内。因此，一般将避开倾向支承压力峰值范围作为确定区段煤柱宽度的主要依据。合理确定煤柱宽度，兼顾资源回收率、巷道稳定性和安全生产及经济效益一直是众多学者研究的重点。谢广祥等对综放面沿空巷道小煤柱合理宽度进行了研究[1－6]，研究结果表明在较薄厚煤层综放开采过程中，沿空巷道窄小煤柱能够保证巷道的稳定性。刘金海等采用现场实测、数值模拟、相似模拟、理论计算对综放面不同煤柱宽度进行了研究，结果表明大煤柱能够保持巷道的稳定性[7－9]。刘增辉等[10]对综放面不同煤柱宽度进行了研究，表明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。综上可知，大采高综放面区段煤柱合理留设应同时兼顾到巷道稳定性、煤柱的完整度和资源回收率。本文以某矿8103面为工程背景，在现场实测与理论计算的基础上，运用FlAC3D对不同区段煤柱宽度进行研究，以期为类似条件的参数确定提供理论和数据支持。

次生灾害（瓦斯溢出、残煤自燃等），其中资源回收率与煤柱宽度有关，巷道的稳定性与所处的应力环境有关，次生灾害的控制与煤柱的完整性有关。基于此，本文首先研究大采高综放工作面倾向支承压力分布特征，确定应力降低区、应力增高区及原岩应力区范围。然后，对采动影响下“窄煤柱”（巷道处在应力降低区）、“宽煤柱”（巷道处在原岩应力区）巷道稳定性及煤柱完整性进行分析。最后，根据以上3个“有利于”原则确定大采高综放工作面区段煤柱的合理宽度。

3综放面倾向支承压力分布规律

煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，引起回采空间周围应力重新分布。上区段工作面回采后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，随着工作面推进，采空区上覆岩层垮落，老顶周期性破断，在工作面端头破断形成起着关键作用的弧形三角块结构，采空区上部岩层将形成新的平衡支承点，从而在工作面倾斜方向形成倾向支承应力。8103工作面回采过后，在沿煤层倾斜方向上形成的倾向支承应力对8104回风平巷的布置有重要影响，即对区段煤柱留设起着决定性的作用。因此，上区段工作面回采形成的倾向支承应力是决定区段煤柱宽度的大应力环境。3.1倾向支承压力分布的理论计算

根据极限平衡理论，建立如图1力学模型[11]。

2工作面概况及研究思路

2.1

工作面概况

某矿8103大采高综放面工作面标高为-400～-440m，工作面走向推进长度为1700m，工作面8.5～20m，平均煤厚15m。割煤高度为5m，放煤高度为10m，采放比1:2。工作面煤层含2～3层夹矸，夹矸的岩性为黑高岭质泥岩、褐色高岭岩、灰黑色炭质泥岩，该面煤层稳定，结构复杂。根据钻孔揭露的情况：直接底为泥岩，厚约2.38～6.42m；基本底为中粗砂岩，厚约23.6m；直接顶为泥岩或砂质泥岩，厚约2.46～6.28m；老顶自上而下为2号煤层、岩浆岩、硅化煤、粉砂岩、细砂岩、高岭质泥岩与砂质泥岩等，厚12.4～28.3m。2.2研究思路

某矿8103面无冲击危险性，大采高综放面区段煤柱宽度合理留设主要考虑3个原则，即有利于提高资源回收率、有利于保证巷道稳定和有利于控制

Fig.1

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m/2

150m。煤层倾角0°～3°，为近水平煤层，煤层厚

?xy

图1倾向支承压力分布的力学模型

Mechanicalmodelofsideabutmentpressure

由图1可列平衡微分方程：

???x??xy

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??fy?0???y?x??xy??(c??ytan?) ?

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m/2

（1）

462岩土力学2014年

求解可得

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?xy??(c??ytan?)?

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2tan??2(?c?Fxtan?)???

压力整体呈现先增大后减小最终趋于稳定的趋势。

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?y??Fx??e

tan????

距离巷帮侧应力降低区为巷帮侧0～7m内，应力集中系数由0.26～0.50上升到0.98～1.02；在距离

（2）

巷帮侧7～15m内，应力集中系数由0.98～1.02上升到1.62～1.71；距离巷帮侧15～28m内，应力集中系数由1.62～1.71下降到1.04～1.01；距离巷帮侧28m外，应力集中系数维持在1.00左右。

综合理论计算与现场实测可知，8103面倾向支承压力的应力降低区为巷帮侧6～8m，应力增高区为8～28m，原岩应力区为巷帮侧28m外的范围。

式中：fx、fy分别为极限平衡区内煤体在x、y方向的体积力，fx=0，fy=Mx?；?为侧压系数；?为煤岩体重度；?为煤层与顶底板界面处的摩擦角；

c为煤层与顶底板界面处的黏聚力；?y为垂直应力；M为煤层开采厚度；?x为单元体所受水平应力；Fx为支架对煤帮的横向作用力；x0为极限平衡区宽度。

将M=15m，?=0.3，?=25°，c=1.6MPa，?=，得到x0=25kN/m3，Fx=0.25MPa代入式（2）

4综放面倾向煤体较完整区的确定

从提高煤炭采出率和煤矿开采效益的角度出发，区段煤柱宽度应尽可能小，但如果煤柱过窄，下区段工作面采动时，煤柱在支承压力叠加影响下易于变形破裂，从而使巷道中锚杆锚固在较破碎煤体中锚杆的作用难以充分发挥，巷道稳定性难以保证。此外，煤柱的破裂变形导致上区段采空区瓦斯溢出、残煤自燃等次生灾害的发生，因此倾向煤体较完整区的确定是合理煤柱留设的重要依据。