沿空掘巷煤柱合理宽度的确定

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综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用

煤
炭
工
程
２１００年第７期
综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用
于洋，柏建彪，陈科肖同强，
（．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州１２１１；２Ｉ６２１０）２０８２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州
摘
要：采用极限平衡理论和数值模拟方法对综采工作面沿空掘巷窄煤窄煤柱与巷道围岩变形量的关系，确定了合理的窄煤柱宽度，并应用于工程
实践。实践结果表明研究确定的窄煤柱宽度合理、技术和经济效益显著，对类似条件下综采工作
ＹＵＹａｇ，Ｂｉｎ—ｂａ，ＣｎＡＩＪａｉｏＨＥＮＫｅ，ＸＩｏｇ—ｑａｇＡＯＴｎｉｎ
（．ｃｏｌｆｎｎｎｉｅｒｇｈｎｎｖｒｉｆｎｎｎｅｈｏｇ，ｚｏ２１６，ｈｎ；１ＳｈｏｏＭｉｉｇＥｇｅｉ，ＣｉａＵｉｓｙｏＭｉｉｇａｄＴｃｎｌｙＸｕｈｕ２１１Ｃｉａｎｎｅｔｏ２ＳａｅＫｙＬｂｏｏｌｅｏｒｅｎａｅｎｎ，ＣｉａＵｉｒｉｆｎｎｎｅｈｏｇ，ｕｈｕ２１０，ｈｎ）．ｔｅａｆａｓｕｃｓｄＳｆｙＭｉｉｇｈｎｎｖｓｙｏｉｇａｄＴｃｎｌｙＸｚｏ２０８ＣｉａｔＣＲａｔｅｔＭｉｏ
Ａｂｔａｔｈｉｔａａｃｈｏｙａｄｎｍｅｉａｓｍｕａｉｎｍｅｈｄｗｒｐｌｄｔｎｌｚｈａｉｎｌｗｄｈｏｅｎｒｏｓｒｃ：Ｔｅｌｌｎｅｔｅｒｎｕｒｃｌｉｌｔｔｏｅｅａｐｉｏａａｙｅｔｅｒｔａｉｔｆｔａｒｗｍｉｂｏｅｏｈｃａｉａｏｈａｅｙｄｉｉｇａｏｇｔｅｇａｆｔｅｆｌｃａｉｅｏｌｍｉｉｇｆｃ．ＡｃｏｄｎＯｔｅｒｌｔｎｈｐｏｌｐｌｒｆｒｔｅｇｔｗａｒｎｌｎｈｏｆｏｈｕｌｍｅｈｎｚｄｃａｎｎａｅｌｖｙｃｒｉｇｔｈｅａｉｓｉｏｂｔｅｈｉｅｅｔｄｈｎｒｏｏｌｐｌｒｎｈｕｒｕｄｎｏｋｄｆｒｔｎｖｌｅｏｅｍｉｅｇｔｗａ，ｔｅｒｔｎｌｅｗｅｎｔｅｄｆｒｎｔａｗｃａｉａｓａｄｔｅｓｒｏｎｉｇｒｃｅｏｍａｉａｕｆｔｎａｅｙｈａｉａｆｗｉｌｏｈｏｉｔｆｔｏｐｌｗａｅｐａｄｗｓａｐｉｏｔｅｅｇｎｅｎｒｃｉｓｈｒｃｉｅｕｔｈｗｄｔａｅｎｒｏｗｄｈｏｅｃａｉａｓｓｔｕｎａｐｌｄｔｈｎｉｅｒｇｐａｔｅ．Ｔｅｐａｔｅｒｓｌｓｓｏｅｈｔｈａｒｗｈｌｌｒｅｉｃｃｔｃａｉａｄｈｓｕｉｄａｄｓｔａａｉｎｎｅｔｃｎｃｌａｄｅｏｏｃｒｓｌｅｅｏｖｏｓｈｒｃｉａｅｕｔｏｌｏｐｌｒｌｌｗｉｔｔｄｅｎｅｓｒｔａａｄｔｅｈｉａｎｃｎｍｉｅｕｔｗｒｂｉｕ．Ｔｅｐａｔｌｒｓｌｃｕｄｗｏｌｈｓｃｓｐｏｉｅｔｅｃｒｉｕｄｎｅｔｅｅｒｔｎｌｄｈｏｅｎｒｏｏｉａｒｔｅｇｔｗａｒｉｇａｏｇｔｅｇａｆｔｅｆｌｒｖｄｅｔｎｇｉａｃｏｓｔｈａｉａｔｆｔａｒｗｃａｐｌｒｏａｅｙｄｉｎｎｏｆｌｈａｔｏｗｉｈｌｌｆｈｖｌｈｏｈｕｙｍｅｈｎｚｄｃａｎｎａｅｕｄｒｔｅｓｌｒｃｎｉｏｓｃａｉｅｏｍｉｉｇｆｃｎｅｈｉａｏｄｔｎ．ｌｍｉｉＫｅｒｓａｅａｒｖｎｏｇｇａ；ｎｒｏｏｌｐｌｒｗｉｔｙｗｏｄ：ｇｔｗｙｄｉｉｇａｎｏｆａｒｗｃａｉａｄｈ；ｎｍｅｃｉｌｔｎｌｌｕｒａｓｉｌｍｕａｉｏ

深井孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度的确定

ｓｒｕｎｎｏｋｃｎｔｏｃａｓａｅｈｃｌｃｕｔｒａｕｅｆｔｅｇｔｗａｒｖｎｌｎｏｆｉｈｏｌｍｉｎａｅｕｒｏｄｉｇｒｃｏｒｌｍｅｈｎｉｍｎｄｔｃｎｉａｏｎｅｍｅｓｒｓｏｈａｅｙｄｉｉｇａｏｇｇａｎｔｅｃａｎｉｇｆｃ
ＮＥＪｎ— ｅ，ＷＡＧＱｎ —ｎｕ，ＸｕｆｎＩｉａｗｉＮｉｇｉ‘ ＵＪｎ— ｅｇ
（．ｎｕＰｏｉｃｏｌｃｅｃｅｅｒｎｔｕｅ１ＡｈｉｒｖｅＣａＳｉｎｅＲｓａｃＩｓｔｔ，Ｈｅｅ２００，Ｃｉａｎｈｉｆｉ３０１ｈｎ；
今后类似条件下沿空掘巷的煤柱留设具有一定的推广意义。
关键词：沿空掘巷；深井；煤柱宽度；数值模拟
中图分类号：Ｔ８２３Ｄ２．
文献标识码：Ａ
文章编号：１７ — ９９２１）６０１－３６１０５（０２０－１００
２１第６期０２年
煤
炭工
程
深井孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度的确定
聂建伟一．，王庆牛，徐俊峰
（．安徽省煤炭科学研究院，安徽合肥１２００；２３０１．淮南矿业集团顾桥煤矿，安徽淮南２００）３０９２２０；３００３合肥工业大学，安徽合肥．
ｓｔｎｇｎｅｉｅｌｇｃｌｃｎｔｏｓ，ｔｅｄｉｃｅｅｅｅｎｏｔｒｉｅｅｉｅｒｎｇｇｏｏｉａｏｄｉｎｉｈｓｒｔｌｍｅｔｓｆｗａｅＵＤＥＣｓａｐｉｄｔｈｕｍｅｉａｉｌｔｏｆｔｗａｐｌｅｏｔｅｎｒｃｌｓｍｕａｉｎｏｈｅｄｉｅｅｄｈｃａｌａｓｌｆｆｒｔｅｔａｐｒａｉｎｇｔｗａｆｔｅｃａｉｉｇｆｃ．Ｔｈｉｌｒｔｎａｄｔｆｔｏｌｆｒｎｔｗｉｔｏｌｐｉｌｒｅｏｈｒｎｓｏｔｔｏａｅｙｏｈｏｌｍｎｎａｅｆｔｅｆｎａａｉｌｗｉｈｏｈｅｃａｏｐｉａｓｏａｎｅｎｕｄｈａｅｃｒａｎｐｏｔｏｉｎｆｃｎｅｏｔｏｌｐｌａｅｏｈａｅｙｄｉｉｇａｏｇｔｌｒｗａｂｔｉｄａｄｗｏｌｖｅｔｉｒｍｏｉｎｓｇｉａｃｓｔｈｅｃａｉｌｒｌｆｆｒｔｅｇｔｗａｒｖｎｌｎｈｅｌｉｔｇａｄｅｈｉｌｒｃｎｔｏｏｌｕｎｒｔｅｓｍｉａｏｄｉｎ．ｉＫｅｗｏｄｓ：ｇｔｗａｉｉｌｎｏｆｄｅｐｎｉｅ；ｗｉｔｆｃａｉｌｒ；ｎｕｒｃｌｓｍｕａｉｎｙｒａｅｙｄｒｖｎｇａｏｇｇａ；ｅｌｎｄｈｏｏｌｐｌａｍｅｉａｉｌｔｏ

迎回采面沿空掘巷合理煤柱宽度确定及应用

１Ｏ
０
１０
２Ｏ３Ｏ４Ｏ
５Ｏ
６０７０
距煤柱帮距离，ｍ
图４巷道两帮垂直应力分布曲线
图４呈现出沿空掘巷历经上区段工作面倾向
能源技术与管理
６０ＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ
２．２．３模拟结果分析
依据平沟煤矿０２０９０３工作面生产地质条件，
采用ＦＬＡＣ。数值模拟软件，建立数值模型。模型长 ×宽 ×高＝１８０ｍ×１２０ｍ ×１００ｍ，含单元格８８６２４个。模型采用摩尔一库伦力学模型，大变形模式，各岩层力学参数由实验室测试所得。模型前
５ｍ煤柱８ｍ煤柱
ｌ５
ｌ０５
Ｏ
拟巷道埋深处的垂直地应力；模型侧压系数为
１．３，模拟水平地应力。０２０９０３工作面数值计算模型及各岩层物理力学参数如图３、表１所示。
２．２．１模型建立
是巷道在迎回采面掘进阶段受采空区倾向老顶活动全过程影响下的最终稳定状态。
本模拟分别对留设３ＩＴＩ、４ＩＴＩ、５Ｉｎ、６Ｉｎ、７Ｉｎ和８ｍ宽煤柱时进行上述模拟操作，然后对不同宽度煤柱下巷道两帮垂直应力分布特征和巷道围岩变形特征进行分析研究，确定合理的窄煤柱宽度。

大结构影响下沿空掘巷巷旁煤柱合理宽度分析

因采空区支撑压力的影响而维护困难的问题。文章对窄煤柱合理的留设宽度展开研究。
图１沿空掘巷巷旁煤柱力学模型
２沿空掘巷巷旁煤柱力学模型分析
工作面回采后，采空区上方基本顶呈规则断
裂下沉，而采空区外侧基本顶会在煤体的弹塑性
２５～４５ＭＰａ时，断裂位置距上区段采空区侧煤壁
形。根据相关理论研究的巷旁煤柱的力学模型，根据巷旁窄煤柱的受力分析，在煤柱上边界给定变
形的情况下，分析煤柱的左右两侧受力分别为ｏｒ。
和ｏｒ，而由于工作面回采后采空区侧向支承压力的影响不同，造成煤柱左右两侧的破碎区宽度有很大的差异，巷道掘进后会对左侧巷帮加强支护，所以一般情况下左侧的支护阻力会比右侧的支护阻力要大，即ｏｒ＞ｒｏ。由此产生的作用在煤柱上的横向作用力可以通过煤柱上下边界的摩擦力来平
能源技术与管理
ＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３．２０１３．０２．０３３
ＫＴＨ＋
．
＿ｏ
体内的塑性区宽度可以达到５～８ｍ。因此可认为在巷道掘进后，煤柱两侧存在着一定宽度的破碎区和塑性区，受下一个工作面采动影响煤柱两侧

沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定(flac2d)

(3) 在深部岩体工程中 ,岩石在高围压条件下其脆性可以转化为延性。因此 ,随着开采深度的增加 ,岩石已由浅部的脆性力学响应转化为深部的延性力学响应 ,这就使得浅部岩体的受力及其作用过程不再适用 ,有必要对深部岩体表现出来的特殊力学性质作进一步的深入研究。
层倾向近北 ,倾角 6°～16°,平均 12°,为综合机械化采煤工作面 , 采用全部垮落法管理顶板。 71 23 和 71 24工作面相邻 , 71 24工作面上部的巷道布置如图 1所示。目前 71 24工作面已开采完毕 ,且留有 2～4 m 小煤柱 ,在回采过程中 ,该工作面上部的巷道受采动影响较大 ,变形严重 ,压力显现明显 ,维护比较困难 ,给 71 23 回采工作造成了不便 , 极大地影响了 71 23工作面的回采进度和效率。
Abstract: In view of the conditions of 71 coal seam in Q idong Coal M ine ofW anbei Coal and Electric Power Group Corporation L td. , the disp lacements and stresses of surrounding rock of roadways drove along goaf and w ith different width coal p illars are simulated by use of FLAC2D software, and the reasonable coal p illar w idth is determ ined for roadway driving along goaf be2 tween adjacent working surface sectors in 71 coal seam , this p ro2 vides reference to the determ inate of reasonable position of sim i2 lar roadway driving along goaf. Key W ords: D riving roadway along goaf, W idth of coal p illar, FLAC2D , Numerical simulation

深部矿井沿空掘巷煤柱留设宽度确定

深部矿井沿空掘巷煤柱留设宽度确定煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。

文章通过理论分析和数值模拟相结合的方法，确定了深部矿井沿空掘巷的煤柱合理宽度为6m，现场试验表明，留设6m煤柱时沿空帮移近量最大为184mm，实体帮移近量最大为95mm，顶板下沉量最大为78mm，底臌量最大为134mm。

巷道围岩整体变形量不大，表明煤柱宽度留设6m是合理的。

标签：深部；沿空掘巷；煤柱宽度；数值模拟引言保留煤柱宽度与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关，煤柱宽度选择的正确与否，对保证巷道稳定至关重要[1]。

我国目前部分煤矿仍存在依靠经验来确定煤柱宽度，缺乏科学性和针对性，往往不是造成煤炭资源的浪费，就是巷道在掘进和回采过程难以维护，甚至出现冒顶等事故，如何兼顾资源回收率和巷道稳定，合理确定煤柱宽度，一直是众多学者关注的焦点[2]。

目前，确定综放沿空掘巷小煤柱尺寸采用的经验类比法，存在很大的盲目性和局限性。

因此，如何合理、科学地确定综放沿空巷道小煤柱的尺寸，对于综放开采安全生产具有重大意义[3]。

文章以巨野矿区某深部矿井沿空掘巷为工程背景，采用理论分析、现场实测的研究手段，确定深井综放沿空掘巷合理煤柱留设宽度，期望对工程实践有一定的指导意义。

1 矿井概况矿井平均开采深度1000m，回采煤层厚8.50～10m，平均9m，普氏系数f=1.59，密度1.36g/cm3，倾角2°～13°，平均倾角5°，具有弱冲击倾向性。

煤层赋存稳定，结构复杂，中间夹0.10～0.35m厚的泥岩或炭质泥岩。

煤层直接顶为粉砂岩，厚19.87m，裂隙发育，具水平层理；基本顶为细砂岩，厚4.2～4.5m，整体性强；伪底为泥岩，厚1.45m；直接底为粉砂岩，裂隙发育；基本底为细砂岩，厚3.35m，主要成分为石英长石及暗色矿物，硅质胶结；覆岩的最上层为数百米的表土层。

2 沿空掘巷煤柱留设原则小煤柱是综放沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定综放沿空掘巷的稳定性，采用锚杆支护时小煤柱宽度应满足以下几个原则。

倾斜厚煤层沿空掘巷合理煤柱宽度确定

２１９０３Ｎ回风巷合理煤柱宽度的理论计算
福城煤矿ｌ９０３Ｎ回风巷为留小煤柱掘巷，ｌ９０３Ｎ回风巷道的布
置及巷道引起的煤柱变形如图ｌ所示。根据围岩的岩石力学性质，在力的作用下围岩会发生弹性变形
６ｍ、８啦、１０ｍ、ｌ２ｍ。
模拟观测点设置如图３所示，ｌ、２观测点位于巷道顶底板中
图３观测点设置
心，记录巷道顶底板移近量，３、４观测点位于巷道两帮中心，记录
巷道两帮位移变化。
设不同煤柱宽度在相同巷道支护方式条件下，应力的变化趋势及巷
道围岩变形破坏情况。ｌ９０２Ｎ采空区与１９０３Ｎ回风巷巷道位置关系模拟图见图２，模型各岩层物理力学参数见表ｌ。掘巷模拟护巷煤柱宽度分别取
表４支护方式更改前后围岩变形比对表
—＼
位移量
苎
、—＼
更改前
３１７．４２９３．４
更改后
８２．６６４．６
３．２模拟结果分析３．２．１未掘巷前倾向方向上的变形规律１９０２Ｎ工作面开采结束后，模拟在采空区侧未掘进１９０３Ｎ回风巷时受采空区顶板压力的变形规律。模拟在倾向方向上分别选择距采空区侧６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍ处为监测点进行监测。监测结果表明在距采空区６ｍ处的监测点位移最大，１、２测点竖直位移最大可达１７０ｍｍ，３、４测点水平位移最大可达７０ｍｍ，而且模拟测点随着距采空区宽度加大，应力单元检测点位移值有递减趋势；当距采空区宽度达到１２ｍ时，监测点竖直位移增加到１７０ｍｍ，说明侧向距采空区１２ｍ处的位置为１９０２Ｎ３２作面基本顶断裂的位置，即侧向内外应力场分界线位置。所以将巷道布置在内应力场范

复杂煤层群开采条件下沿空掘巷合理煤柱宽度的确定

析的方法计算得出２２１５３采空区边缘煤体内部应力集中系数，并依据弹塑性力学理论，提出合理煤柱宽度的计算公式．研究结
果表明：通过极限平衡理论计算得到的巷道侧塑性区宽度较直接采用锚杆支护长度更合理；对于复杂煤层群开采条件下，应
收稿日期：２０１３— ０６—１４
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７４０８６）；煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金项目（２０１１０２）通信作者：祖自银（１９７５一），男，四川宜宾人，硕士，高级工程师．．主要从事巷道围岩控制与采矿管理研究．Ｅ—ｍ￣１：５４０８０２２４３＠ｑｑ．ｃｏｎｒ
ＩＪｉＬ，ＢａｉＪＢ，ＸｕＹ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｏｃｋｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏａｄｗａｙｗｉｔｈ
ｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｄｉｒｖｅｎｌｏａｎｇｇｏｆ［ａＪ］．ＪｏｕｍａｌｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｓａｆｅｔｙ
７
定，同时又能保证巷道围岩完整．２）通过极限平衡理论计算得到的巷道侧塑性区宽度较直接采用锚杆支护长度更合理，同时也可以为巷道支护中锚杆长度的选择提供一定的参考．
采矿与安全工程学报，２０１１，２８（３）：３７６— ３８３．

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护，锚杆间排距为７００ｍｍ×７００ｍｍ，全断面铺设
１工程概况
１．１地质概况
钢筋梯子梁和挂铁丝网。
２１１０８回风巷道位于该矿２１采区１０煤层，标
高＋１３４５～＋１２９０Ｉｎ左右，工作面距地表垂深５２０～７６５ｉ１＂１，煤层厚度为１．６～２．０ｒｌｌ，煤层倾角７。～１Ｏ。，粉粒状，少量碎块，半暗型，金属光泽，含夹矸１～２层；直接顶为８ｍ的中厚菱铁质粉砂岩与粉
０引言
沿空掘巷在国内已得到广泛的应用，其实质是
沿上工作面采空区留设煤柱掘进巷道［１２３。沿空掘
１．２支护情况
２１１０８回风巷设计矩形断面，巷道开挖宽度５
ｒｎ，高为３ｍ，巷道断面积为１５ＩＴ１。，该巷道支护采用锚网索的支护形式，即金属锚杆一锚索配合钢筋梯
砂岩互层；底板为１３．５１ＴＩ的灰色粉砂岩、细砂岩与
菱铁质粉砂岩互层，２１１０８回风巷与相邻的２１１０６
模拟模型。采用ＦＬＡｃ５．０数值模拟软件进行模拟计算，本构模型采用摩尔一库仑模型，根据开采深度，模型上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面
２煤柱宽度数值模拟分析
基于该工作面开采条件，采用离散元数值模拟计算程序ＦＬＡＣ５．０，模拟分析该开采条件不同护巷煤柱宽度条件下，煤柱塑性区的分布状况，根据巷道
现有支护方案和地质条件，建立２１１０８回风巷数值
ＩＳＳＮ１６７１— —２９００
采矿技术第１３卷第２期
ＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏ１．１３，Ｎｏ．２
ＣＮ４３ —１３４７／ＴＤ
２Ｏ１３年３月
Ｍａｒ．２Ｏ１３
沿空掘巷煤柱合理宽度的确定
工作面运巷之间留有５ＩＴＩ宽的煤柱，巷道在开挖后
一
个月内变形量即达到了１０００ｍｍ，上帮煤柱侧变
形破坏严重，严重影响了该工作面的回采。
水平位移固定，下表面垂直水平位移固定。
＊基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７４０９６，５１１７４０８６）
巷时，合理的煤柱宽度是沿空掘巷技术成败的关键，
加大煤柱宽度虽然可提高煤柱的承载能力，但煤柱
子梁和金属菱形网进行支护。锚索长度６０００ｍｍ，采用Ｏ１７．８ｍｍ钢绞线制成，顶板布置３根，上帮布置２根，锚索托盘采用３００ｍｍ×３００ｍｍ×１６ｍｍ钢板制成，锚索间排距为２８ＯＯｍｍ×７００ｍｍ；锚杆
煤柱的塑性区分布进行数值研究。结果表明，当煤柱宽度为７ｍ时，煤柱内存在较合理
的稳定核区。同时，通过对７１ＴＩ煤柱内部松动圈的现场测试，证实了数值模拟的结果，表
明７１ＴＩ煤柱宽度是合理的，可保证煤柱及巷道的稳定。关键词：煤柱宽度；数值模拟；塑性区；稳定核区；松动圈
长度螺纹钢制成，全断面布置１３根锚杆，锚杆托板为１４０ｍｍ × １４０ｍｍＸ８ｍｍ的钢板制成，锚杆间排距为７００ｍｍ× ７００ｍｍ；钢筋梯子梁规格为４０００ｍｍ×５０ｍｍ，采
王洪明，朱川曲，付亚男，王洪亮。
（１．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭市４１１２０１；２．中石油工程设计有限责任公司
０６２５５２）华北分公司，河北任丘市
摘要：以某矿２１１０８回风巷道为工程背景，采用数值模拟的方法对不同煤柱宽度条件下
过数值模拟的方法，分析不同煤柱宽度条件下，煤柱塑性区的分布情况，根据煤柱内稳定核区【３］的分布，确定合理的煤柱宽度。
用Ｏ１０１Ｔｉｍ钢筋制成；金属菱形网为４０００ｍｍ × １１００ｍｍ，采用１Ｏ铁丝编制；两帮支护为锚梁网支
留宽大，不仅要损失较多煤炭资源，而且也难以保证煤柱处在支承压力带影响范围外；煤柱尺寸小，不仅
煤柱的稳定性差、承载能力低，而且巷道也难以维护。本文以贵州某矿２１１０８回风巷为工程背景，通