大倾角煤层留小煤柱沿空掘巷技术
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公司总工程师，从事煤矿管理工作。
22
2012 年 10 月
煤炭工程
力作为等效应力，模型上边界取 + 70m，地面标高平均约为 + 800m， 模 型 高 度 120m， 因 此 模 型 上 部 施 加 约 为 18. 25MPa 的等效应力，由计算确定模型水平方向施加约为 27. 38MPa 的载荷。
1） 3m 小煤柱的应力分布情况。区段间留 3m 小煤柱 时，4 槽综采一壁采空后煤柱的垂直应力分布如图 3 所示， 煤柱和巷道的位移如图 4 所示。由于采空区影响，煤柱采 空区侧边缘形成应力集中，应力值为 25 ～ 30MPa，预计将 产生塑性破坏，该区域煤柱支承能力很小。煤柱整体基本 承载的压力为 20 ～ 25MPa，预计煤柱整体性不会破坏，对 顶板有一定的支撑能力； 巷道的右上角局部形成应力集中， 应力值为 25 ～ 30MPa，该区域煤体将产生塑性破坏。位移 云图表明，巷道顶部及两帮的位移量为 0 ～ 25cm。
3. 2 边界与载荷条件确定
边界条件： 模型左右边界施加水平约束，即边界水平 位移为零； 模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位 移均为零； 模型顶部为自由边界。
载荷条件： 剖面模型上部边界通过施加上覆岩层的重
收稿日期： 2012 － 08 － 20 作者简介： 赵瑞红（ 1963 － ） ，男，山西大同人，工程师，毕业于长春工业大学，现任内蒙古锡林郭勒盟华鼎矿业有限
关键词： 大倾角； 小煤柱； 沿空掘巷； 数值计算 中图分类号： TD822 + . 3 文献标识码： B 文章编号： 1671 － 0959（ 2012） S2-0022-03
沿空掘巷是沿着已采工作面的采空区边缘掘进区段平 巷，分为完全沿空掘巷、留小煤柱沿空掘巷（ 留 3 ～ 6m 窄小 煤柱） ［1］。其中，完全沿空掘巷是在煤体边缘的应力降低区 内掘进，优点是巷道受力小、便于维护； 留小煤柱沿空掘 巷主要用于顶板不能充分冒落，煤层倾角较大以及采空区 内有积水等情况［2］。文章针对长沟峪煤矿大倾角煤层的地 质条件，对其留设小煤柱沿空掘巷技术开展研究，确保工 作面掘进和回采的安全，提高煤炭回采率。
2 煤柱尺寸的确定
根据岩体的极限平衡理论，可得到塑性区内任意处的 垂直应力、应力降低区的宽度、以及塑性区的宽度（ 如图 1 所示） ［3］。卸载松散区： 位于煤体边缘，一般宽度 Ls 为 1 ～ 3m，少数情况可达 4 ～ 6m； 塑性强化区： 位于卸载区和支 承压力峰值位置之间，一般宽度 Lp 为 15 ～ 20m； 弹性变形 区： 位于煤体边缘支承压力峰值区过渡到原始应力区，从 煤壁到弹性变形区的宽度 Le 一般为 15 ～ 30m； 原始应力区： 距煤体边缘较远，煤体的应力和变形基本不受采空区的影 响［4，5］。因此，可以将沿空掘进的巷道布置在有一定的承载
1概况
长沟峪煤矿 － 140m水平北二石门两翼 4 槽综采工作面 为大倾角煤层，煤层倾角平均 30°，煤层厚度在 0. 2 ～ 3. 5m 之间，平均厚度 1. 6m，赋存较稳定。综采工作面的沿空帮 在重力及采动应力的影响下容易失稳。同时，考虑沿空留 巷不利于防治上区段的采空区积水，并且积水进入下区段 综采工作面降低石门两翼 4 槽综采工作面 选择采用留小煤柱沿空掘巷的方式。
能力的塑性强化区中，区段小煤柱留 3 ～ 4m。
Ⅰ—卸载松散区； Ⅱ—塑性强化区； Ⅲ—弹性变形区； Ⅳ—原始应力区
图 1 倾斜煤层边缘力学状态分区图
3 数值模型建立及计算 3. 1 数值模型建立
数值模型剖面范围（ 长 × 宽） 为 144m × 120m，根据煤 层顶底板的围岩力学特征分析，为减小模型边界效应的影 响，模型高度取 120m，上边界为 + 70m，下边界为 － 50m。 为了更好地呈现应力分布规律和变化规律，取综采一壁开 采后和综采二壁区段回风巷开挖后两种情况模拟，小煤柱 的留设尺寸分别取 3m 和 4m 二种情况进行模拟。模型各岩 层的力学参数见表 1。
设计技术
图 2 综采一壁开采后采区内垂直应力分布情况
数值模拟的结果与理论分析的基本一致，即如果采用 留小煤柱的护巷方式，区段间可以在应力降低的区域内留 3 ～ 4m 的窄小煤柱，以隔离采空区，便于巷道的维护。 3. 3. 2 留小煤柱的模拟情况
留不同尺寸的无煤柱护巷的支护方式与长沟峪矿综采 采区回采巷道的锚杆支护参数相同，不同的是生产实践中， 采用无煤柱护巷时要求加强了对小煤柱整体性的维护。
设计技术
煤炭工程
2012 年 10 月
大倾角煤层留小煤柱沿空掘巷技术研究
赵瑞红
（ 华鼎矿业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）
摘 要： 针对长沟峪煤矿大倾角煤层留小煤柱沿空掘巷问题，采用岩体极限平衡理论，将沿 空掘进的巷道布置在有一定的承载能力的塑性强化区中，区段小煤柱预计留 3 ～ 4m。通过对综采 一壁开采后和综采二壁区段回风巷开挖后两种情况模拟，小煤柱的留设尺寸分别取 3m 和 4m 二 种情况进行数值计算。计算结果表明： 留设 3m 小煤柱比留设 4m 小煤柱能够更好地满足安全生 产要求。该研究能够为其他类似条件矿井的煤柱留设提供一些重要的参考依据。
表 1 模型各岩层的力学参数
视密度 / 体积模 剪切模 抗拉强 粘聚力 内摩擦 名称
（ kg·m － 3 ） 量 / MPa 量 / MPa 度 / MPa / MPa 角 / （ °）
老顶
2700
534
372 0. 72 0. 25
35
直接顶 2677
334
227 0. 68 0. 15
56
煤层
1800
72
63
0. 12 0. 30
37
直接底 2644
236
207 0. 48 0. 70
53
老底
2844
436
208 0. 47 0. 70
45
3. 3 计算结果分析
3. 3. 1 综采一壁开采后采区内应力分布情况 综采一壁开采后采区内垂直应力分布情况如图 2 所示，
受采空区的影响，在下区段上部形成应力降低区和应力集中 区，其中应力降低区的范围为 3 ～ 4m、应力值为 10 ～ 25MPa， 应力集中区的范围为 5 ～ 6m、应力值为 25 ～ 35MPa。
22
2012 年 10 月
煤炭工程
力作为等效应力，模型上边界取 + 70m，地面标高平均约为 + 800m， 模 型 高 度 120m， 因 此 模 型 上 部 施 加 约 为 18. 25MPa 的等效应力，由计算确定模型水平方向施加约为 27. 38MPa 的载荷。
1） 3m 小煤柱的应力分布情况。区段间留 3m 小煤柱 时，4 槽综采一壁采空后煤柱的垂直应力分布如图 3 所示， 煤柱和巷道的位移如图 4 所示。由于采空区影响，煤柱采 空区侧边缘形成应力集中，应力值为 25 ～ 30MPa，预计将 产生塑性破坏，该区域煤柱支承能力很小。煤柱整体基本 承载的压力为 20 ～ 25MPa，预计煤柱整体性不会破坏，对 顶板有一定的支撑能力； 巷道的右上角局部形成应力集中， 应力值为 25 ～ 30MPa，该区域煤体将产生塑性破坏。位移 云图表明，巷道顶部及两帮的位移量为 0 ～ 25cm。
3. 2 边界与载荷条件确定
边界条件： 模型左右边界施加水平约束，即边界水平 位移为零； 模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位 移均为零； 模型顶部为自由边界。
载荷条件： 剖面模型上部边界通过施加上覆岩层的重
收稿日期： 2012 － 08 － 20 作者简介： 赵瑞红（ 1963 － ） ，男，山西大同人，工程师，毕业于长春工业大学，现任内蒙古锡林郭勒盟华鼎矿业有限
关键词： 大倾角； 小煤柱； 沿空掘巷； 数值计算 中图分类号： TD822 + . 3 文献标识码： B 文章编号： 1671 － 0959（ 2012） S2-0022-03
沿空掘巷是沿着已采工作面的采空区边缘掘进区段平 巷，分为完全沿空掘巷、留小煤柱沿空掘巷（ 留 3 ～ 6m 窄小 煤柱） ［1］。其中，完全沿空掘巷是在煤体边缘的应力降低区 内掘进，优点是巷道受力小、便于维护； 留小煤柱沿空掘 巷主要用于顶板不能充分冒落，煤层倾角较大以及采空区 内有积水等情况［2］。文章针对长沟峪煤矿大倾角煤层的地 质条件，对其留设小煤柱沿空掘巷技术开展研究，确保工 作面掘进和回采的安全，提高煤炭回采率。
2 煤柱尺寸的确定
根据岩体的极限平衡理论，可得到塑性区内任意处的 垂直应力、应力降低区的宽度、以及塑性区的宽度（ 如图 1 所示） ［3］。卸载松散区： 位于煤体边缘，一般宽度 Ls 为 1 ～ 3m，少数情况可达 4 ～ 6m； 塑性强化区： 位于卸载区和支 承压力峰值位置之间，一般宽度 Lp 为 15 ～ 20m； 弹性变形 区： 位于煤体边缘支承压力峰值区过渡到原始应力区，从 煤壁到弹性变形区的宽度 Le 一般为 15 ～ 30m； 原始应力区： 距煤体边缘较远，煤体的应力和变形基本不受采空区的影 响［4，5］。因此，可以将沿空掘进的巷道布置在有一定的承载
1概况
长沟峪煤矿 － 140m水平北二石门两翼 4 槽综采工作面 为大倾角煤层，煤层倾角平均 30°，煤层厚度在 0. 2 ～ 3. 5m 之间，平均厚度 1. 6m，赋存较稳定。综采工作面的沿空帮 在重力及采动应力的影响下容易失稳。同时，考虑沿空留 巷不利于防治上区段的采空区积水，并且积水进入下区段 综采工作面降低石门两翼 4 槽综采工作面 选择采用留小煤柱沿空掘巷的方式。
能力的塑性强化区中，区段小煤柱留 3 ～ 4m。
Ⅰ—卸载松散区； Ⅱ—塑性强化区； Ⅲ—弹性变形区； Ⅳ—原始应力区
图 1 倾斜煤层边缘力学状态分区图
3 数值模型建立及计算 3. 1 数值模型建立
数值模型剖面范围（ 长 × 宽） 为 144m × 120m，根据煤 层顶底板的围岩力学特征分析，为减小模型边界效应的影 响，模型高度取 120m，上边界为 + 70m，下边界为 － 50m。 为了更好地呈现应力分布规律和变化规律，取综采一壁开 采后和综采二壁区段回风巷开挖后两种情况模拟，小煤柱 的留设尺寸分别取 3m 和 4m 二种情况进行模拟。模型各岩 层的力学参数见表 1。
设计技术
图 2 综采一壁开采后采区内垂直应力分布情况
数值模拟的结果与理论分析的基本一致，即如果采用 留小煤柱的护巷方式，区段间可以在应力降低的区域内留 3 ～ 4m 的窄小煤柱，以隔离采空区，便于巷道的维护。 3. 3. 2 留小煤柱的模拟情况
留不同尺寸的无煤柱护巷的支护方式与长沟峪矿综采 采区回采巷道的锚杆支护参数相同，不同的是生产实践中， 采用无煤柱护巷时要求加强了对小煤柱整体性的维护。
设计技术
煤炭工程
2012 年 10 月
大倾角煤层留小煤柱沿空掘巷技术研究
赵瑞红
（ 华鼎矿业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）
摘 要： 针对长沟峪煤矿大倾角煤层留小煤柱沿空掘巷问题，采用岩体极限平衡理论，将沿 空掘进的巷道布置在有一定的承载能力的塑性强化区中，区段小煤柱预计留 3 ～ 4m。通过对综采 一壁开采后和综采二壁区段回风巷开挖后两种情况模拟，小煤柱的留设尺寸分别取 3m 和 4m 二 种情况进行数值计算。计算结果表明： 留设 3m 小煤柱比留设 4m 小煤柱能够更好地满足安全生 产要求。该研究能够为其他类似条件矿井的煤柱留设提供一些重要的参考依据。
表 1 模型各岩层的力学参数
视密度 / 体积模 剪切模 抗拉强 粘聚力 内摩擦 名称
（ kg·m － 3 ） 量 / MPa 量 / MPa 度 / MPa / MPa 角 / （ °）
老顶
2700
534
372 0. 72 0. 25
35
直接顶 2677
334
227 0. 68 0. 15
56
煤层
1800
72
63
0. 12 0. 30
37
直接底 2644
236
207 0. 48 0. 70
53
老底
2844
436
208 0. 47 0. 70
45
3. 3 计算结果分析
3. 3. 1 综采一壁开采后采区内应力分布情况 综采一壁开采后采区内垂直应力分布情况如图 2 所示，
受采空区的影响，在下区段上部形成应力降低区和应力集中 区，其中应力降低区的范围为 3 ～ 4m、应力值为 10 ～ 25MPa， 应力集中区的范围为 5 ～ 6m、应力值为 25 ～ 35MPa。