1、 第 24 卷 第 3 期2007 年 09 月 采 矿 与 安 全 工 程 学 报Journal of Mining 内边 缘 即 靠 近 本 区 段 煤 体 部 分 ,在 距 工 作 面 4 m 左 右 开 始 进 入 塑 性 破 坏 状 态 ;煤 柱 宽 度 在 6 8 m之 间 时 中 部 存 在 一 定 范 围 弹 性 核 . 适 合 崔 庄 煤 矿 条 件 合 理 区 段 煤 柱 宽 度 应 为 6 8 m.关 键 词 : 沿 空 掘 巷 ; 变 形 ; 区 段 煤 柱 ; 数 值 模 拟中 图 分 类 号 : TD 821 文 献 标 识 码 : AStudy on Failur
2、e Regularity and Reasonable Dimensionof District Sublevel Small Coal PillarHAN Cheng2qiang , ZHAN G Kai2zhi , XU Xiao2bing , L I Da2yong , XIE Pin2zhou( Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control , Shandong University of Science and Technology ,Qingdao , Shandong 266510 , China)Abstract
3、: In order to prevent rock burst of coal pillars from taking place , improve working con2ditions , and increase recovery ratio , t he stress change wit hin small coal pillars and coal seamsof working face was investigated by in2situ observation. According to the observation data , t heinfluencing sc
4、ope of advancing abut ment and t he deformation and failure rule of entry driving a2long gob2side were analyzed. The variation range of plastic area of 4 different coal pillar widt hswere also obtained by numerical simulation. The result s show t hat t he destruction of a smallcoal pillar is greatly
5、 affected by it s widt h. The out edge of pillar , namely the area near t he pre2vious district sublevel goaf , has already been reached t he plastic state. Another edge of t he pil2lar , namely t he area near t he current district sublevel seam where t he distance f rom workingface is 4m will reach
6、 t he plastic state under the effect of mining. There has a certain limit of e2lasticity core in t he middle of t he coal pillar when it s widt h is 6 8 m. So the reasonable widt hof district sublevel small coal pillar suitable for Cuizhuang coal mine should be 6 8 m.Key words : gob2side entry drivi
7、ng ; deformation ; district sublevel coal pillar ; numerical simula2tion回 采 巷 道 一 侧 的 区 段 煤 柱 用 于 隔 离 采 空 区 和维 护 巷 道 ,煤 柱 是 支 撑 作 用 主 体 ,所 以 煤 柱 的 变 形破 坏 规 律 对 顶 板 岩 层 的 控 制 有 很 大 影 响 . 研 究 表明 1 ,煤 柱 尺 寸 的 大 小 影 响 到 回 采 巷 道 受 动 压 破 坏的 程 度 ,是 影 响 回 采 巷 道 围 岩 稳 定 性 的 主 要 因 素 之一 . 回 采 巷 道 的 稳 定 性 与 护 巷
8、 煤 柱 尺 寸 有 很 大 的 关第 3 期 韩 承 强 等 : 区 段 小 煤 柱 破 坏 规 律 及 合 理 尺 寸 研 究系 ,合 理 煤 柱 尺 寸 的 确 定 是 巷 道 支 护 设 计 的 重 要 部分 . 合 理 的 煤 柱 尺 寸 不 仅 可 以 减 小 巷 道 的 变 形 ,减小 巷 道 维 护 工 程 量 ,而 且 还 可 以 减 少 煤 炭 资 源 损失 .国 内 外 学 者 对 煤 柱 合 理 尺 寸 确 定 的 方 法 进 行了 很 多 研 究 ,主 要 集 中 在 224 :1) 对 大 量 实 测 结 果的 数 理 统 计 、 归 纳 推 理 得 出 不 稳 定
9、 围 岩 条 件 下 护 巷煤 柱 尺 寸 ;2) 运 用 矿 山 压 力 规 律 留 设 各 种 煤 柱 的方 法 及 经 验 公 式 ,对 煤 柱 合 理 的 尺 寸 进 行 分 析 ;3)用 现 场 实 测 煤 柱 支 承 压 力 分 布 方 法 分 析 给 出 煤 层回 采 巷 道 的 合 理 煤 柱 宽 度 范 围 ;4) 用 有 限 元 计 算软 件 对 煤 柱 护 巷 的 围 岩 变 形 进 行 计 算 分 析 ,确 定 煤柱 合 理 尺 寸 ;5) 根 据 岩 体 的 极 限 平 衡 理 论 推 导 出护 巷 煤 柱 保 持 稳 定 状 态 时 的 宽 度 计 算 公 式 ;6
10、) 从理 论 上 推 导 出 了 三 维 应 力 状 态 下 估 算 煤 柱 塑 性 区宽 度 的 理 论 公 式 .近 年 来 美 国 矿 业 局 采 用 大 量 现 场 煤 体 应 力 测试 和 有 限 元 模 拟 结 合 的 方 法 ,并 重 视 对 过 去 煤 柱 实例 进 行 综 合 分 析 来 确 定 煤 柱 尺 寸 ,这 应 该 是 使 煤 柱设 计 趋 于 合 理 的 一 种 方 法 .本 文 正 是 基 于 这 种 思 想 ,通 过 现 场 实 测 数 据 与 有 限 元 模 拟 相 结 合 的 办 法 来 确定 适 合 崔 庄 煤 矿 现 有 条 件 的 合 理 区 段 煤
11、 柱 宽 度 .1 工 作 面 概 况23上 11 工 作 面 回 采 3上 层 煤 ,通 过 23上 09 工作 面 回 采 、 23上 11 掘 进 实 际 揭 露 和 地 质 资 料 分 析证 实 ,该 工 作 面 范 围 内 ,3上 层 煤 赋 存 稳 定 ,全 区 可采 ,煤 层 厚 度 在 3. 2 4. 6 m 之 间 ,平 均 3. 7 m. 工作 面 走 向 长 856 m ,倾 斜 长 148. 5 m ,地 面 标 高 +33. 6 m ,井 下 标 高 - 372 - 436 m. 23上 11 工 作 面与 23上 09 工 作 面 间 的 区 段 煤 柱 宽 度 为
12、 4 m. 工 作面 煤 层 顶 、 底 板 情 况 详 见 表 1.表 1 工 作 面 煤 层 顶 底 板 情 况Table 1 The roof and floor condition of coal seam in working face顶 、 底 板 名 称 岩 石 名 称 厚 度 / m 特 征砂 泥 岩 互 层 14. 80 深 灰 色 ,泥 质 为 主 ,性 脆细 砂 岩 9. 10 灰 色 ,石 英 为 主 ,泥 硅 质 胶 结 ,夹 粉 砂 岩 条 带 状 互 层泥 岩 2. 05 浅 灰 色 ,质 纯 ,黄 铁 矿 晶 粒基 本 顶 中 砂 岩 4. 40 灰 白 色 ,
13、石 英 为 主 ,长 石 次 之 ,暗 色 矿 物 ,泥 硅 质 胶 结直 接 顶 泥 质 砂 岩 10. 52 深 灰 色 ,下 部 多 泥 质 ,性 脆 少 含 炭 化 植 物 化 石直 接 底 泥 质 砂 岩 1. 85 深 灰 色 ,泥 质 ,性 脆老 底 细 砂 岩 8. 08 灰 色 ,石 英 为 主 ,泥 硅 质 胶 结 ,夹 粉 砂 岩 条 带 状 互 层本 文 中 分 析 的 沿 空 巷 道 较 一 般 的 沿 空 巷 道 有所 不 同 ,由 于 煤 矿 巷 道 布 置 的 历 史 原 因 ,前 55 m全 部 在 实 体 煤 中 掘 进 ,而 55 m 后 开 始 真 正
14、地 沿 空掘 进 .2 测 区 布 置本 次 共 设 计 3 个 观 测 测 区 ,分 别 对 应 观 测 沿 煤柱 宽 度 方 向 应 力 分 布 、 煤 体 内 超 前 支 承 压 力 分 布 规律 以 及 巷 道 变 形 情 况 . 测 区 布 置 如 图 1 所 示 .图 1 煤 柱 留 设 及 测 区 布 置Fig. 1 The arrangement of coal pillarand observation areas通 过 在 煤 柱 和 工 作 面 煤 体 内 打 钻 孔 ,在 钻 孔 孔底 安 装 测 力 计 观 测 随 工 作 面 推 进 煤 体 内 的 应 力 变化 规
15、 律 . 钻 孔 直 径 42 mm ,采 用 KSE2 21 应 力 测力 计 ,与 KSE2 钢 弦 测 力 计 配 套 使 用 ,测 量 区 段 煤柱 内 和 煤 体 内 的 应 力 分 布 .1) 区 段 煤 柱 应 力 测 区 :在 区 段 煤 柱 内 距 离 工作 面 37 m 开 始 每 隔 4 m 布 置 一 个 测 点 ,共 4 个 ,测点 孔 深 分 别 为 1. 0 ,1. 5 ,2. 0 ,2. 5 m.2) 工 作 面 煤 体 内 测 区 :在 实 体 煤 内 距 工 作 面37 m 开 始 每 隔 4 m 布 置 一 个 测 点 ,共 5 个 ,测 点 孔深 分 别
16、 为 3 ,4 ,5 ,6 ,7 m.3) 巷 道 内 :针 对 煤 柱 留 设 的 特 殊 情 况 ,在 巷 道内 共 布 置 了 7 个 断 面 ,全 程 监 测 了 从 距 开 切 眼20 m到 95 m 一 段 巷 道 顶 底 、 两 帮 的 变 形 情 况 ,从而 得 到 巷 道 变 形 破 坏 规 律 .3 小 煤 柱 内 应 力 变 化 规 律3. 1 煤 体 内 超 前 支 承 压 力 分 析根 据 实 测 结 果 可 绘 制 出 煤 体 内 各 测 点 应 力 随着 距 工 作 面 距 离 变 化 关 系 曲 线 . 图 2 所 示 为 煤 体 内173采 矿 与 安 全 工
17、 程 学 报 第 24 卷 4 ,6 m 测 点 的 观 测 结 果 .图 2 煤 体 内 应 力 与 工 作 面 距 离 变 化 关 系Fig. 2 The relationship between stress in coal bodyand the distance of working face分 析 可 知 :在 距 工 作 面 较 远 时 煤 体 基 本 处 于 弹性 状 态 ,并 且 具 有 较 高 承 载 能 力 ,随 着 工 作 面 推 进 ,支 承 压 力 达 到 高 峰 ,随 后 煤 体 逐 渐 破 碎 ,承 载 能 力下 降 ,直 至 完 全 失 去 承 载 能 力 .
18、 如 孔 深 3 ,4 ,5 m 测点 煤 体 应 力 快 速 下 降 时 与 工 作 面 距 离 分 别 为 8 ,7 ,5 m. 可 见 ,煤 体 内 受 采 动 明 显 影 响 在 距 工 作 面 08 m 范 围 内 .孔 深 为 6 m 的 测 点 压 力 高 峰 位 置 在 距 工 作 面5 m 处 ,小 于 5 m 以 后 ,应 力 值 急 剧 下 降 并 出 现 负值 ,原 因 是 工 作 面 顶 板 沿 侧 向 方 向 的 断 裂 运 动 ,导致 顶 板 “ 反 弹 ” 引 起 的 应 力 下 降 ,由 此 判 断 顶 板 侧 向断 裂 位 置 处 于 煤 体 内 6 m 左
19、 右 .3. 2 煤 柱 两 侧 边 缘 应 力 分 布 规 律根 据 观 测 结 果 绘 制 成 煤 柱 内 测 点 应 力 随 工 作面 距 离 变 化 关 系 ,图 3 所 示 为 孔 深 1 m 与 2. 5 m 测点 应 力 随 工 作 面 推 进 观 测 结 果 .图 3 煤 柱 内 应 力 与 工 作 面 距 离 变 化 关 系Fig. 3 The relationship between stress in coal pillarand the distance of working face分 析 可 知 :煤 柱 边 缘 受 采 动 影 响 较 大 ,破 坏 严重 . 工
20、作 面 推 进 至 距 测 点 4 m 时 ,孔 深 1 m 测 点 应力 值 急 剧 降 低 ,表 明 此 处 煤 柱 破 坏 严 重 ;距 工 作 面32 m 时 ,孔 深 为 2. 5 m 测 点 应 力 值 降 到 几 乎 为 零 ,表 明 此 处 煤 柱 不 能 承 受 支 承 压 力 . 而 煤 柱 中 部 虽 然会 随 着 工 作 面 推 进 缓 慢 进 入 塑 性 状 态 ,但 是 一 直 能保 持 较 高 应 力 水 平 . 如 孔 深 1. 5 ,2 m 测 点 ,只 有 当工 作 面 推 进 至 1 m 左 右 时 ,煤 柱 才 开 始 破 坏 .综 上 所 述 ,可 以
21、 将 上 述 观 测 与 分 析 结 果 用 图 示的 方 式 直 观 地 表 示 出 来 ,如 图 4 所 示 . 图 中 不 同 区域 的 煤 柱 其 破 坏 状 态 不 一 样 ,沿 煤 柱 厚 度 方 向 可 分为 如 下 3 个 破 坏 区 域 :图 4 煤 柱 破 坏 分 区 示 意 图Fig. 4 The sketch map of destroying area of coal pillarA 区 (工 作 面 侧 ) :未 受 采 动 影 响 时 处 于 完 整 状态 ,受 采 动 影 响 后 随 即 处 于 塑 性 并 严 重 破 坏 .B 区 (煤 柱 中 部 ) :未
22、受 采 动 影 响 时 处 于 完 整 状态 ,受 采 动 影 响 后 进 入 塑 性 状 态 并 有 一 定 的 承 载 能力 ,破 坏 不 严 重 .C 区 (采 空 区 侧 ) :由 于 受 上 工 作 面 回 采 的 影响 ,未 受 23上 11 采 动 影 响 时 即 处 于 严 重 破 坏 状 态 .3. 3 巷 道 变 形 破 坏 规 律巷 道 变 形 实 测 结 果 见 表 2.表 2 实 测 巷 道 断 面 变 形 结 果Table 2 The deformation data of entry section巷 道 断 面 到 开 切 眼距 离 / m 顶 底M/ mm R
23、/ m 两 帮M/ mm R/ m实 体煤 中1 20 56 15. 68 30 15. 682 30 56 22. 10 48 25. 653 40 63 19. 30 52 22. 804 50 126 25. 65 70 25. 65沿 空掘 进5 60 114 21. 20 204 30. 806 80 120 25. 35 190 32. 507 95 105 26. 80 253 31. 25注 : M 为 累 计 最 大 变 形 量 ; R 为 变 形 量 明 显 增 大 范 围通 过 表 中 数 据 可 以 看 出 :1) 在 实 体 煤 巷 道 中 顶 、 底 板 变 形 量
24、 大 于 两 帮 ,而 在 沿 空 掘 进 巷 道 中 情 况 正 好 相 反 ,但 不 管 是 巷 道顶 板 、 两 帮 的 变 形 量 还 是 变 形 速 度 ,沿 空 掘 巷 均 大于 实 体 煤 巷 道 .2) 实 体 煤 巷 道 中 顶 、 底 板 及 两 帮 变 形 相 差 不大 ;而 在 沿 空 掘 进 巷 道 中 由 于 小 煤 柱 松 散 破 碎 ,因273第 3 期 韩 承 强 等 : 区 段 小 煤 柱 破 坏 规 律 及 合 理 尺 寸 研 究而 两 帮 变 形 明 显 大 于 顶 、 底 板 变 形 ,前 者 为 后 者 的1. 6 2. 7 倍 .根 据 现 场 实
25、 际 观 察 在 距 工 作 面 20 m 左 右 巷道 开 始 产 生 变 形 ,随 着 工 作 面 推 进 巷 道 变 形 急 剧 增大 ,巷 道 超 前 支 护 的 工 字 钢 破 坏 严 重 ,在 超 前 巷 道内 需 要 进 行 “ 卧 底 ” 才 能 保 证 足 够 的 工 作 空 间 ,此 时的 巷 道 变 形 已 影 响 了 正 常 的 采 煤 工 作 . 这 说 明 留 设4 m 煤 柱 的 巷 道 已 不 能 满 足 现 场 生 产 的 需 要 .4 数 值 模 拟1) 模 型 模 拟 几 何 尺 寸 :水 平 方 向 100 m ,垂 直方 向 72 m.2) 模 型 边
26、 界 条 件 :模 型 右 边 界 为 工 作 面 倾 斜长 度 的 中 部 ,左 边 界 为 采 空 区 下 部 ,下 边 界 为 老 底17 m 砂 岩 ,这 3 个 边 界 离 工 作 面 较 远 ,故 均 设 计 为固 定 边 界 ,S x = 0 , S y = 0 ;模 型 上 边 界 为 应 力 边 界 ,经 计 算 加 载 应 力 q = 8. 68 MPa.3) 方 案 设 计 :本 次 计 算 在 其 他 条 件 不 变 的 情况 下 计 算 分 析 不 同 宽 度 时 煤 柱 破 坏 状 况 ,共 设 计 了4 个 计 算 模 型 ,分 别 模 拟 宽 度 为 4 ,6
27、,8 ,10 m 时 煤柱 的 破 坏 情 况 .计 算 结 果 如 图 5 所 示 .图 5 不 同 宽 度 时 煤 柱 破 坏 意 图Fig. 5 The destroying map of coal pillarwith different width由 图 5 分 析 得 到 不 同 宽 度 时 煤 柱 破 坏 规 律 :1) 煤 柱 宽 度 为 4 m 时 ,塑 性 开 展 区 贯 穿 整 个煤 柱 ,煤 柱 沿 煤 层 面 方 向 和 层 面 法 向 方 向 几 乎 完 全破 坏 ,此 时 煤 柱 内 基 本 不 存 在 弹 性 区 ,煤 柱 强 度 急剧 降 低 ,不 能 有 效
28、 保 证 工 作 空 间 及 生 产 安 全 ;煤 柱宽 度 为 6 m 时 ,煤 柱 沿 煤 层 面 方 向 有 一 半 左 右 未发 生 破 坏 ,沿 层 面 法 向 方 向 破 坏 较 大 ,但 是 塑 性 开展 区 占 煤 柱 宽 度 一 半 左 右 ,没 有 贯 穿 整 个 煤 柱 ,此时 煤 柱 内 存 在 一 定 范 围 的 弹 性 核 (见 图 4) ,可 以 有效 保 持 巷 道 围 岩 的 稳 定 性 .2) 煤 柱 宽 度 为 8 m 时 ,煤 柱 沿 煤 层 面 方 向 破坏 较 小 ,而 沿 层 面 法 向 方 向 只 有 少 量 破 坏 ,塑 性 开展 区 只 在
29、煤 柱 边 缘 附 近 ;当 煤 柱 宽 度 大 于 8 m 时 ,煤 柱 越 宽 ,煤 柱 未 被 破 坏 的 范 围 就 越 大 ,法 向 破 坏高 度 就 越 低 ,因 此 煤 柱 就 越 稳 定 .5 结 论1) 通 过 实 测 研 究 发 现 ,沿 空 掘 巷 小 煤 柱 两 侧边 缘 部 分 受 采 动 影 响 较 严 重 ,且 沿 空 侧 比 巷 道 侧 边缘 破 坏 更 早 更 严 重 ,但 是 若 煤 柱 宽 度 合 适 会 在 其 中部 存 在 一 定 范 围 的 弹 性 区 域 .2) 顶 板 侧 向 断 裂 位 置 位 于 煤 体 内 5 7 m 之间 ,断 裂 位 置
30、 附 近 煤 体 破 坏 严 重 .3) 通 过 数 值 计 算 及 理 论 验 证 得 出 合 理 煤 柱 宽度 为 6 m 与 8 m ,此 时 煤 柱 较 稳 定 ,巷 道 变 形 与 破坏 程 度 低 ,建 议 矿 方 将 合 理 区 段 煤 柱 宽 度 扩 大 到 6 8 m 之 间 .参 考 文 献 :1 张 开 智 ,夏 均 民 ,蒋 金 泉 . 钻 孔 煤 粉 量 变 化 规 律 在 区段 煤 柱 合 理 参 数 确 定 中 的 应 用 J . 岩 石 力 学 与 工 程学 报 , 2004 ,23 (8) :130721310.ZHAN G Kai2zhi , XIA J u
31、n2min , J IAN G Jin2quan.Variation law of quantity of coal dust in drill hole andits application to determination of reasonable width ofcoal pillar J . Chinese Journal of Rock Mechanicsand Engineering , 2004 ,23 (8) :130721310.2 翟 所 业 ,张 开 智 . 煤 柱 中 部 弹 性 区 的 临 界 宽 度 J . 矿山 压 力 与 顶 板 管 理 , 2003 ,20
32、(4) :14216.ZHA I Suo2ye ,ZHAN G Kai2zhi. The critical width ofmiddle elastic area of the coal pillar to safeguardworking J . Ground Pressure and Strata Control ,2003 ,20 (4) :14216.3 刘 增 辉 ,康 天 合 . 综 放 煤 巷 合 理 煤 柱 尺 寸 的 物 理 模 拟研 究 J . 矿 山 压 力 与 顶 板 管 理 , 2005 ,22 (1) :24226.L IU Zeng2hui , KAN G Tia
33、n2he. Numerical simulationof pillar proper dimension in the entry of mechanizedtop coal caving face J . Ground Pressure and StrataControl , 2005 ,22 (1) :24226.4 柏 建 彪 ,王 卫 军 ,候 朝 炯 ,等 . 综 放 沿 空 掘 巷 围 岩 控 制机 理 及 支 护 技 术 研 究 J . 煤 炭 学 报 ,2000 ,25 (4) :3432347.BA I Jian2biao ,WAN G Wei2jun , HOU Chao2jiong , etal. Control mechanism and support technique aboutgateway driven along goaf in fully mechanized topcoal caving face J . Journal of China Coal Society ,2000 ,25 (4) :3432347.373
