综采工作面巷道护巷煤柱留设尺寸研究
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色细砂岩、泥岩互层ꎬ平均厚度 １７. ３３ ｍꎻ直接底为
ห้องสมุดไป่ตู้泥岩或炭质泥岩互层ꎬ平均厚度 ４. ３ ｍꎮ
３２０７ 和 ３２０８ 是邻近工作面ꎬ位于该矿 ３ 号煤二
盘区ꎬ３２０８ 工作面还未布置ꎮ ３２０７ 工作面正 在 回
采ꎬ设计采高 ４. ５ ｍꎬ工作面长度 ２７０ ｍꎬ推进长度
１ １００ ｍꎮ 工作面布置三条巷道ꎬ胶带巷、辅运巷及
并计算出了煤柱的合理尺寸ꎬ运用数值模拟分析了工作面回采过程中煤柱受力情况及围岩破坏情况ꎬ得出
煤柱留设的合理宽度为 １５ ｍꎮ 并在现场得到成功的应用ꎮ 为类似条件下工作面顺槽煤柱留设提供科学依
据ꎮ
关键词:护巷煤柱ꎻ数值模拟ꎻ应力
中图分类号:ＴＤ８２２. ３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００５２７９８(２０２０)０３０００８０３
回风巷ꎮ 工作面位置关系如图 １ 所示ꎮ
图 １ ３２０７ 工作面巷道位置关系
３２０７ 工作面胶带巷和辅运巷之间护巷煤柱留
设 １２ ｍꎬ在工作面回采过程中ꎬ煤柱片帮严重ꎬ不得
收稿日期:２０１９
１１
２５
基金项目:内蒙古自治区自然科学基金资助项目(２０１８ＬＨ０５００９)
作者简介:刘 伟(１９７７ － ) ꎬ男ꎬ山西阳城人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿安全监察工作ꎮ
ꎮ
２
３(３ ＋ ｓｉｎ φ)
３ ＋ ｓｉｎ２ φ
对于西河煤矿ꎬＭ ＝ ４. ５ ｍꎬφ ＝ ２３°ꎬＨ ＝ １５０ ｍꎬ
γ ＝ ２５ ｋＮ / ｍ２ ꎬＫ ＝ ２ꎬＣ ＝ ８００ ｋＰａꎬ代入上述公式计算
得出:ｘ０ ＝ １. ９ ｍꎬｘ１ ＝ ３. ３９ ｍꎬＢ ＝ １４. ２９ ｍꎮ
煤矿 ３ 号煤层工作面回采巷道护巷煤柱留设为背
景ꎬ通过理论计算和数值模拟的方法科学确定合理
的护巷煤柱尺寸ꎮ
１ 工程概况
西河煤矿主采 ３ 号煤层ꎬ３ 号煤层位于山西组
中下部ꎬ煤层赋存不稳定ꎬ其中二盘区煤层厚度 ３. ５
~ ５. １ ｍꎬ平均厚度 ４. ５ ｍꎬ倾角 １ ~ ３°ꎬ煤层直接顶
８
为泥岩或粉砂质泥岩ꎬ平均厚度 ４. ５ ｍꎻ基本顶为灰
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏ. ３ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｔｈｉｓ ｃｈａｉｎ ｐｉｌｌａｒｓ ａｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄꎬ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉ￣
ｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒꎬ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ
试验研究
总第 ２４７ 期
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ２７９８. ２０２０. ０３. ００３
综采工作面巷道护巷煤柱留设尺寸研究
刘 伟
( 山西省晋城市阳城县 应急管理局ꎬ山西 阳城 ０４８１００)
摘 要:以西河煤矿 ３ 号煤层工作面护巷煤柱留设为背景ꎬ通过建立力学模型分析了煤柱的整体受力状态
ｆａｃｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｔｈａｔ ｌｅａｖｅ ａ ｓｅｔ ｏｆ
ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｄｔｈ ｉｓ １５ ｍ ａｎｄ ｇｅｔ ｓｕｃｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
重、护巷煤柱破坏等现象 [１ － ２] ꎮ 护巷煤柱的稳定性
对巷道围岩整体稳定性有着极大的影响 [３] ꎮ 在巷道
掘进或工作面回采过程中应力发生重新分布ꎬ在护
巷煤柱内部应力分布范围将发生变化ꎬ当护巷煤柱
留设尺寸不合理ꎬ在掘进或回采过程中将发生失稳
破坏ꎬ严重影响矿井的安全生产 [４ － ５] ꎮ 本文以西河
２ 煤柱尺寸的理论计算
当煤柱一侧采空时ꎬ采空区周围煤柱( 体) 处于
弹性变形状态ꎬ煤柱( 体) 应力 σ ｙ 分布如图 ２ 中曲线
１ 所示ꎬσ ｙ 随与采空区边缘之间距离增大ꎬ按负指数
曲线关系衰减ꎮ 在高应力作用下ꎬ从煤柱( 体) 边缘
到深部ꎬ都会出现破裂区、塑性区、弹性区及原岩应
力区ꎮ 弹塑性变形状态下ꎬ 煤柱 ( 体) 垂直应力 σ ｙ
分布如图 ２ 中曲线 ２ 所示ꎮ
ＫγＨ ＋ Ｃｃｏｔφ
ùú
２Ｍ(１ － ３ａ) éê
ｌｎ æç １ － ３ａ
２ｋ
＋
＋ Ｃｃｏｔφ ö÷ ú
ｔａｎφ(１ ＋ ３ａ) êë
è １ ＋ ３ａ １ － ３ａ
øû
(３)
其 中: ａ、 ｋ 为 广 义 Ｍｉｓｅｓ 准 则 系 数ꎬ ａ ＝
ｓｉｎφ
Ｃｃｏｔφ
ꎬｋ ＝
ｇｒｏｏｖｅ ｄｅｓｉｇｎꎬ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｒｏａｄｗａｙ ｐｉｌｌａｒꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｓｔｒｅｓｓ
随着近些年我国煤炭开采逐渐向深部发展ꎬ回
采巷道受到高应力的影响ꎬ出现了巷道围岩变形严
5m?工作面长度270m?推进长度1100m?工作面布置三条巷道?胶带巷辅运巷及回风巷?工作面位置关系如图1所示?图13207工作面巷道位置关系3207工作面胶带巷和辅运巷之间护巷煤柱留设12m?在工作面回采过程中?煤柱片帮严重?不得8试验研究总第247期不采取补打锚杆锚索的方法进行补强支护?不但增加了巷道的维护成本?而且不利于矿井的安全生产?因此必须对巷道煤柱留设尺寸进行科学的选择?2煤柱尺寸的理论计算当煤柱一侧采空时?采空区周围煤柱体处于弹性变形状态?煤柱体应力y分布如图2中曲线1所示?y随与采空区边缘之间距离增大?按负指数曲线关系衰减?在高应力作用下?从煤柱体边缘到深部?都会出现破裂区塑性区弹性区及原岩应力区?弹塑性变形状态下?煤柱体垂直应力y分布如图2中曲线2所示?图2煤柱体的垂直应力分布图中区域为破裂区?受采动影响该区域范围内的煤柱率先发生扰动破坏?区域为塑性区?该区域内的煤体一直承受较高的集中应力?随着采动影响及时间的推移将变成新的破裂区域?区域为弹性区应力升高部分?该区域是由于煤体边缘发生破坏后导致集中应力整体向后迁移?应力交原岩应力有所升高?区域为原岩应力区?该区域并未受到采动影响?仍然保持原始的应力状态?煤柱的承载能力?随着远离煤柱边缘而明显增长?在距离煤柱边缘一定宽度范围内?煤柱的承载能力与支承压力处于极限平衡状态?运用岩体的极限平衡理论?可以计算出塑性区宽度?即支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离x0为
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｉｚｅ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｐｉｌｌａｒ ｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｒｏａｄｗａｙ
ｏｆ Ｆｕｌｌｙ
ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｆａｃｅ
ＬＩＵ Ｗｅｉ
( Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｙａｎｇｃｈｅｎｇ Ｃｏｕｎｔｙꎬ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ ＣｉｔｙꎬＹａｎｇｃｈｅｎｇ ０４８１００ꎬ Ｃｈｉｎａ)
２０２０ 年 ３ 月 刘 伟:综采工作面巷道护巷煤柱留设尺寸研究 第 ２９ 卷第 ３ 期
不采取补打锚杆、锚索的方法进行补强支护ꎬ不但增
加了巷道的维护成本ꎬ而且不利于矿井的安全生产ꎬ
因此必须对巷道煤柱留设尺寸进行科学的选择ꎮ
ห้องสมุดไป่ตู้泥岩或炭质泥岩互层ꎬ平均厚度 ４. ３ ｍꎮ
３２０７ 和 ３２０８ 是邻近工作面ꎬ位于该矿 ３ 号煤二
盘区ꎬ３２０８ 工作面还未布置ꎮ ３２０７ 工作面正 在 回
采ꎬ设计采高 ４. ５ ｍꎬ工作面长度 ２７０ ｍꎬ推进长度
１ １００ ｍꎮ 工作面布置三条巷道ꎬ胶带巷、辅运巷及
并计算出了煤柱的合理尺寸ꎬ运用数值模拟分析了工作面回采过程中煤柱受力情况及围岩破坏情况ꎬ得出
煤柱留设的合理宽度为 １５ ｍꎮ 并在现场得到成功的应用ꎮ 为类似条件下工作面顺槽煤柱留设提供科学依
据ꎮ
关键词:护巷煤柱ꎻ数值模拟ꎻ应力
中图分类号:ＴＤ８２２. ３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００５２７９８(２０２０)０３０００８０３
回风巷ꎮ 工作面位置关系如图 １ 所示ꎮ
图 １ ３２０７ 工作面巷道位置关系
３２０７ 工作面胶带巷和辅运巷之间护巷煤柱留
设 １２ ｍꎬ在工作面回采过程中ꎬ煤柱片帮严重ꎬ不得
收稿日期:２０１９
１１
２５
基金项目:内蒙古自治区自然科学基金资助项目(２０１８ＬＨ０５００９)
作者简介:刘 伟(１９７７ － ) ꎬ男ꎬ山西阳城人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿安全监察工作ꎮ
ꎮ
２
３(３ ＋ ｓｉｎ φ)
３ ＋ ｓｉｎ２ φ
对于西河煤矿ꎬＭ ＝ ４. ５ ｍꎬφ ＝ ２３°ꎬＨ ＝ １５０ ｍꎬ
γ ＝ ２５ ｋＮ / ｍ２ ꎬＫ ＝ ２ꎬＣ ＝ ８００ ｋＰａꎬ代入上述公式计算
得出:ｘ０ ＝ １. ９ ｍꎬｘ１ ＝ ３. ３９ ｍꎬＢ ＝ １４. ２９ ｍꎮ
煤矿 ３ 号煤层工作面回采巷道护巷煤柱留设为背
景ꎬ通过理论计算和数值模拟的方法科学确定合理
的护巷煤柱尺寸ꎮ
１ 工程概况
西河煤矿主采 ３ 号煤层ꎬ３ 号煤层位于山西组
中下部ꎬ煤层赋存不稳定ꎬ其中二盘区煤层厚度 ３. ５
~ ５. １ ｍꎬ平均厚度 ４. ５ ｍꎬ倾角 １ ~ ３°ꎬ煤层直接顶
８
为泥岩或粉砂质泥岩ꎬ平均厚度 ４. ５ ｍꎻ基本顶为灰
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏ. ３ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｔｈｉｓ ｃｈａｉｎ ｐｉｌｌａｒｓ ａｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄꎬ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉ￣
ｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒꎬ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ
试验研究
总第 ２４７ 期
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ２７９８. ２０２０. ０３. ００３
综采工作面巷道护巷煤柱留设尺寸研究
刘 伟
( 山西省晋城市阳城县 应急管理局ꎬ山西 阳城 ０４８１００)
摘 要:以西河煤矿 ３ 号煤层工作面护巷煤柱留设为背景ꎬ通过建立力学模型分析了煤柱的整体受力状态
ｆａｃｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｔｈａｔ ｌｅａｖｅ ａ ｓｅｔ ｏｆ
ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｄｔｈ ｉｓ １５ ｍ ａｎｄ ｇｅｔ ｓｕｃｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
重、护巷煤柱破坏等现象 [１ － ２] ꎮ 护巷煤柱的稳定性
对巷道围岩整体稳定性有着极大的影响 [３] ꎮ 在巷道
掘进或工作面回采过程中应力发生重新分布ꎬ在护
巷煤柱内部应力分布范围将发生变化ꎬ当护巷煤柱
留设尺寸不合理ꎬ在掘进或回采过程中将发生失稳
破坏ꎬ严重影响矿井的安全生产 [４ － ５] ꎮ 本文以西河
２ 煤柱尺寸的理论计算
当煤柱一侧采空时ꎬ采空区周围煤柱( 体) 处于
弹性变形状态ꎬ煤柱( 体) 应力 σ ｙ 分布如图 ２ 中曲线
１ 所示ꎬσ ｙ 随与采空区边缘之间距离增大ꎬ按负指数
曲线关系衰减ꎮ 在高应力作用下ꎬ从煤柱( 体) 边缘
到深部ꎬ都会出现破裂区、塑性区、弹性区及原岩应
力区ꎮ 弹塑性变形状态下ꎬ 煤柱 ( 体) 垂直应力 σ ｙ
分布如图 ２ 中曲线 ２ 所示ꎮ
ＫγＨ ＋ Ｃｃｏｔφ
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２Ｍ(１ － ３ａ) éê
ｌｎ æç １ － ３ａ
２ｋ
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ｔａｎφ(１ ＋ ３ａ) êë
è １ ＋ ３ａ １ － ３ａ
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(３)
其 中: ａ、 ｋ 为 广 义 Ｍｉｓｅｓ 准 则 系 数ꎬ ａ ＝
ｓｉｎφ
Ｃｃｏｔφ
ꎬｋ ＝
ｇｒｏｏｖｅ ｄｅｓｉｇｎꎬ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｒｏａｄｗａｙ ｐｉｌｌａｒꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｓｔｒｅｓｓ
随着近些年我国煤炭开采逐渐向深部发展ꎬ回
采巷道受到高应力的影响ꎬ出现了巷道围岩变形严
5m?工作面长度270m?推进长度1100m?工作面布置三条巷道?胶带巷辅运巷及回风巷?工作面位置关系如图1所示?图13207工作面巷道位置关系3207工作面胶带巷和辅运巷之间护巷煤柱留设12m?在工作面回采过程中?煤柱片帮严重?不得8试验研究总第247期不采取补打锚杆锚索的方法进行补强支护?不但增加了巷道的维护成本?而且不利于矿井的安全生产?因此必须对巷道煤柱留设尺寸进行科学的选择?2煤柱尺寸的理论计算当煤柱一侧采空时?采空区周围煤柱体处于弹性变形状态?煤柱体应力y分布如图2中曲线1所示?y随与采空区边缘之间距离增大?按负指数曲线关系衰减?在高应力作用下?从煤柱体边缘到深部?都会出现破裂区塑性区弹性区及原岩应力区?弹塑性变形状态下?煤柱体垂直应力y分布如图2中曲线2所示?图2煤柱体的垂直应力分布图中区域为破裂区?受采动影响该区域范围内的煤柱率先发生扰动破坏?区域为塑性区?该区域内的煤体一直承受较高的集中应力?随着采动影响及时间的推移将变成新的破裂区域?区域为弹性区应力升高部分?该区域是由于煤体边缘发生破坏后导致集中应力整体向后迁移?应力交原岩应力有所升高?区域为原岩应力区?该区域并未受到采动影响?仍然保持原始的应力状态?煤柱的承载能力?随着远离煤柱边缘而明显增长?在距离煤柱边缘一定宽度范围内?煤柱的承载能力与支承压力处于极限平衡状态?运用岩体的极限平衡理论?可以计算出塑性区宽度?即支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离x0为
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｉｚｅ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｐｉｌｌａｒ ｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｒｏａｄｗａｙ
ｏｆ Ｆｕｌｌｙ
ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｆａｃｅ
ＬＩＵ Ｗｅｉ
( Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｙａｎｇｃｈｅｎｇ Ｃｏｕｎｔｙꎬ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ ＣｉｔｙꎬＹａｎｇｃｈｅｎｇ ０４８１００ꎬ Ｃｈｉｎａ)
２０２０ 年 ３ 月 刘 伟:综采工作面巷道护巷煤柱留设尺寸研究 第 ２９ 卷第 ３ 期
不采取补打锚杆、锚索的方法进行补强支护ꎬ不但增
加了巷道的维护成本ꎬ而且不利于矿井的安全生产ꎬ
因此必须对巷道煤柱留设尺寸进行科学的选择ꎮ