综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究_康继忠

第40卷第10期

煤炭科学技术

Vol.40No.102012年

10月

Coal Science and Technology

Oct．

2012

综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究

康继忠1，樊少武2，3，吴宝杨

2，3

（1.山西离柳焦煤集团有限责任公司，山西孝义032300； 2.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013；

3．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）

摘

要：为了合理确定兑镇煤矿工作面区段间的煤柱宽度，在保证巷道支护稳定前提条件下，减小煤柱宽度，提高煤炭采出率，通过对现场采集的煤层及顶底板煤岩样进行了煤岩体的物理力学参数测试，采用FLAC 3D

数值分析软件，建立了工作面回采过程中不同宽度区段煤柱的力学模型，对比分析了3种不同煤柱宽度时围岩应力、变形及塑性区分布规律的差异。结果表明：16m 宽的煤柱

可以较好地减小工作面推进过程中煤体的应力集中程度、塑性区范围及侧向位移，减少煤柱宽度，最终确定了区段煤柱合理的宽度为16m ，工作面实现安全回采。

关键词：煤柱合理宽度；围岩应力集中；围岩塑性区；数值分析中图分类号：TD822.3文献标志码：A 文章编号：0253－2336（2012）10－0037－04

Study on Optimization of Rational Width for Sectional Coal Pillar in

Fully Mechanized Top Coal Caving Mining Face

KANG Ji-zhong 1，FAN Shao-wu 2，3，WU Bao-yang 2，

3

（1．Shanxi Liliu Coking Coal Group Corporation Ltd．，Xiaoyi 032300，China ；2．Mine Safety Technology Branch ，China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China ；3．State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization （China Coal Research Institute ），Beijing 100013）

Abstract ：In order to rationally set up the width of the sectional coal pillars in the coal mining face of Duizhen Mine ，on the premise to ensure the support stability of the gateway ，

the width of the coal pillar left should be reduced and the coal mining rate should be increased．With the measurement and test on the physical mechanics parameters of the coal and rock mass with the coal and rock samples collected from the seam as well as the roof and floor ，the FLAC 3D numerical analysis software was applied to establish the mechanics model of the different width sectional coal pillars in the mining process．The comparison and analysis was conducted on the differences of the surround-ing rock stress ，deformation and plastic zone distribution law when three different widths of the coal pillars applied．The results showed that the coal pillar with a width of 16m could be well to reduce the stress concentration degree of the coal mass during the advancing process of the coal mining face ，the plastic zone scope and the lateral deformation value and could reduce the coal pillar width．Finally the rational section coal pillar width was determined as 16m and the coal mining face could realize the safety mining．

Key words ：rational width of coal pillar ；stress concentration of surrounding rock ；plastic zone of surrounding rock ；numerical analysis

收稿日期：2012－05－19；责任编辑：曾康生

作者简介：康继忠（1971—），男，山西柳林人，高级工程师，硕士，现任山西离柳焦煤集团有限责任公司总经理。

网络出版时间：2012－10－1809：32：34；网络出版地址：http ：//https://www.360docs.net/doc/598817317.html, /kcms /detail /11.2402.TD.20121018.0932.009.html 引用格式：康继忠，樊少武，吴宝杨．综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究［J ］．煤炭科学技术，2012，40（10）：37－40．

合理煤柱宽度的留设直接关系到回采巷道支护

效果、煤矿安全生产及经济效益，是煤矿采区设计的关键问题之一，也是困扰煤矿安全生产的重要技术难题之一。不同开采条件下，留设的煤柱宽度不同。留设煤柱过宽，不仅导致煤炭资源的浪费，而

且难以保证煤柱处在支承压力带影响范围外［1－4］

；留设煤柱过窄，虽然能减少煤炭损失，但煤柱中的

应力集中现象明显，煤柱的承载能力低，稳定性

差，给巷道维护带来相当大的困难。不同煤柱宽度对工作面回采过程中的矿压显现有较大影响，因此可以利用不同煤柱宽度与矿压显现规律的关系，来反演确定合理的煤柱宽度。确定工作面回采过程中矿压显现规律的方法包括巷道变形量观测、支架载荷测量及围岩应力测量，相似模拟，数值模拟及弹

DOI ：10.13199/j.cst.2012.10.43.kangjzh.018

2012年第10期煤炭科学技术

第40卷

塑性简化计算等方法，其中较为简单也是理论研究

工作者经常采用的是数值模拟法

［5－9］

。FLAC 、UDEC 等大型专业软件的数值模拟技术在采矿领域

得到了广泛应用

［10－11］

。笔者采用FLAC 3D 数值分析软件，以兑镇煤矿开采地质条件为工程背景，模拟

分析了不同煤柱宽度下工作面回采过程中的矿压显现规律，研究确定适合该煤矿的煤柱留设宽度。

1工作面概况

兑镇煤矿A504工作面所在煤层较稳定，煤层倾角平均5?左右，煤层平均厚度2.4m 。煤层伪顶为炭质泥岩，厚0.3m 左右，易脱落；直接顶为泥质粉砂岩，厚6.0m 左右，灰白色块状，遇水强度降低，易冒落；基本顶厚65.0m 左右，以砂岩为主，成分为石英砂岩，火成岩屑；直接底为粉砂岩，厚1.0m 左右，浅黑色，遇水易膨胀。该工作面采深300m ，工作面上巷长495m ，下巷长485m ，工作面倾斜长90m 。

A504工作面西部靠近井田边界，东邻A5运输下山及材料下山，并与采区回风下山立交，南部为A5煤层未采动区，以北为A503采空区，工作面采掘工程平面布置如图1所示

。

图1

A504工作面采掘工程平面

2

数值模型建立及结果分析

2.1

模型建立

利用FLAC 3D

数值分析软件对不同煤柱宽度时

回采工作面矿压显现规律进行数值模拟计算。结合A504工作面现场地质条件，建立如图2所示的FLAC 3D 三维计算模型。模型长200m ，宽（煤层走向）200m ，高51m ，共有162000单元和174629节点。模型的边界条件包括位移边界和应力边界2种，本次数值模拟的边界条件设置为：左右边界只约束水平方向上的位移，前后边界只约束垂直方向上的位移，即单约束边界；下部边界为全约束边界；上部边界不约束，施加垂直荷载，模拟上覆岩层自重。模型的煤岩层分布从上到下依次为基本顶、直接顶、煤层、直接底、基本底，煤岩体的本构模型依照摩尔－库伦破坏准则，各层煤岩体的物理力学参数均由试验测定，见表1

。

图2三维计算模型

表1

模型各层煤岩体的物理力学参数

模型层位厚度/

m 密度/

（g ·cm －3）黏聚

力/MPa φ/

（?）γ/GPa τ/

GPa σ/

MPa 基本顶砂岩20 2.60.454013.912.500.36

直接顶泥质粉砂岩

6 2.30.3032 4.1 2.480.15煤层4 1.40.2530 2.3 1.710.11直接底粉砂岩1 2.50.4035 4.4

1.480.25

基本底砂岩

20

2.6

0.45

40

13.912.500.36

注：φ为内摩擦角；γ为体积模量；τ为剪切模量；σ为抗拉强度。

首先将模型运算至自动平衡，获得初始应力场，整个应力场应力分布均匀，煤层所处的垂直应力约11.4MPa ，与实测及理论计算的原岩应力基本相符，故以此模型为背景进行数值模拟。2.2

数值模拟结果分析

根据该矿A504工作面开采技术条件以及前人

研究结果，研究选取了3种煤柱宽度，分别为12、16和20m 。

1）不同煤柱宽度时煤体集中应力分布规律。工作面推进30m 时，不同煤柱宽度沿煤层水平方向应力分布规律分别如图3所示。从图3中可以看出，煤柱中的最大应力区域均位于工作面后方一段距离。在工作面煤壁前方4m 左右形成超前支承压力，且靠近煤柱一侧的支承压力要大于远离煤柱一侧的支承压力。不同煤柱宽度下，随煤柱宽度的减小，煤柱应力集中程度越来越大，集中应力区与巷帮的距离也越来越小，如图4所示，图4为煤柱宽度分别为12、16和20m 时，煤柱内距下巷帮不同距离处的应力曲线。从图4可以看出，煤柱宽度越小，煤柱中的应力峰值越高，且应力峰值点距巷帮的距离也越小。值得注意的是，煤柱宽度从16m

康继忠等：综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究2012年第10

期

图3

不同煤柱宽度时围岩应力分布

图4不同煤柱宽度时煤柱内应力

变为12m 时，煤柱中的应力峰值有急剧变大的趋势，其增大幅度为30%左右，而煤柱宽度从20m 变为16m 时，煤柱中的应力峰值变化不大。

2）不同煤柱宽度对采场矿压显现规律的影响。为了进一步分析比较工作面推进过程中不同煤柱宽度对矿压显现规律的影响，调取了不同煤柱宽度条件下数值模拟结果中的应力值，并绘制成应力曲线，具体分析如下：沿煤层倾向方向不同煤柱宽度下煤壁前方4m 处煤体内应力分布如图5所示，从图5中可看出，不同的煤柱宽度对上巷附近实体煤内的应力基本没影响，而对下巷附近实体煤内的应力影响较大，原因是下巷距煤柱的距离较远（100m 左右），已超出了上一采空区的影响范围。当煤柱尺寸由16m 减小到12m 时，工作面下巷附近煤体内应力峰值急剧增大，增大幅度达到35%左右，明显大于煤柱宽度由20m 减小到16m 时的增大幅度

。

图5不同煤柱宽度时煤壁前方4m 处应力

图6为不同煤柱宽度下煤壁前方不同距离处的应力曲线，从图6中可以看出，不同煤柱宽度时，煤壁前方的支承压力峰值点的位置基本不变，均是在煤壁前方4m 左右。煤柱宽度由16m 减小到12m 时，煤壁前方的应力峰值增大幅度为35%左右，

而煤柱宽度由20m 减小到16m 时，煤壁前方的应力峰值变化不大

。

图6

不同煤柱宽度时煤壁前方支承压力曲线

3）不同煤柱宽度时煤柱侧向变形曲线。距巷帮不同距离处煤柱内侧向位移曲线如图7所示

。

图7

不同煤柱宽度时煤柱侧向位移

从图7中可看出，煤柱宽度为16和20m 时，煤柱的变形趋势及变形量都基本相同，最大变形量都在巷帮处。但在距巷帮2m 以内的范围内，随着距巷帮距离的增大其位移急剧减小，在距巷帮2m 以外的范围其位移基本保持在0.1m 左右不变，说明此时煤柱的变形破坏区域主要是在煤柱表面，而煤柱内部仍可承载。煤柱宽度变为12m 时，煤柱的侧向变形趋势和位移都发生了较大改变，巷帮处的位移与16m 煤柱相比增幅达到了40%左右，且在距巷帮6m 以内的范围，其位移一直维持在较大

值而没有减小的趋势，说明此时煤柱破坏较严重，煤柱表面和煤柱内部均发生了较大的变形破坏。4）煤柱宽度分别为12、16和20m 时煤层所在平面的塑性区分布，如图8所示。

分析图8可以看出，煤柱宽度为12m 时工作面后方煤柱的塑性区完全贯通，且在工作面前方一

2012年第10期煤炭科学技术

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卷

图8煤柱宽度留设不同时塑性区分布

定区域内也出现较大范围的塑性区。煤柱宽度为

16m 时塑性区开始有贯通的趋势，但还未完全贯通，具有一定的承压能力。煤柱宽度为20m 时，煤柱中的塑性区主要分布在煤柱两侧，说明此时煤柱的内部为弹性体，可继续承压。

3应用效果

综上所述，利用FLAC 3D

数值分析软件较好地模拟了不同煤柱宽度条件下的工作面回采过程，得

到了煤壁附近和煤柱中的应力状态、变形状态及塑性区分布状态等数值计算结果。通过对上述结果的对比分析可以看出，与宽度为12m 的煤柱相比，宽度为16m 的煤柱可以较好地减小工作面推进过程中煤体的应力集中程度、塑性区大小及侧向变形量，与宽度为20m 的煤柱宽度相比，在一定程度上减少了煤炭资源的损失，因此依据该矿的工程地质条件选取16m 煤柱宽度最为合适。该煤矿在后续的工作面布置中，煤柱宽度改为16m ，在回采过程中通过现场的矿压观测，发现该方案有效地降低了实体煤及煤柱中的应力集中程度，煤柱一侧的巷道变形破坏得到有效控制，保证了煤矿的安全高效生产。

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4－6．（上接第36页）

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