大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定_张科学 (1)
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大煤柱 上区段 采空区 窄煤柱 沿空 掘巷 宽煤柱 回风巷 本区段 工作面
[1]
的 3#煤层赋存于二叠系下统山西组(P1s)， 煤层埋深 平均为 480 m，厚度平均为 6.5 m，倾角平均为 8°。 E1303 和 E1305 工作面长度为 295 m 左右，切眼至 停采线长度为 1 785 m 左右。3#煤层顶底板岩性详 见表 1。E1305 工作面巷道布置关系如图 2。
E1305工作面 (上区段回采) E1303瓦排巷(沿空掘巷) 窄煤柱 宽煤柱 E1303工作面 (本区段回采) 下覆岩层 基本底 直接底 煤层 伪顶 直接顶 基本顶 上覆岩层
收稿日期：2012-11-16 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226801，2010CB226804)；国家自然科学基金项目(51174213)；新世纪优秀人才支持 计划项目(NCET-10-0775)；中央高校基本科研业务专项资金项目(2009QM001) 作者简介：张科学(1986-)，男，河南省永城市人，博士，从事冲击地压、巷道围岩控制方面的研究。 E-mail：zhkexue@163.com Tel：13366030731
Abstract Gob entry driving in the large pillar is a new technology based on double U-shaped roadway layout of the face. According to the geological conditions, certain method of reasonable width of narrow pillar in gob entry driving in the large pillar is obtained based on the combination of limit equilibrium theory, numerical calculation and field practice. It takes into account six parameters for the narrow pillar width from distribution of stress of the section of the lateral support goaf, stress distribution of coal pillars, stress distribution of surrounding rock, plastic zone distribution of surrounding rock, the relationship between deformation of surrounding rock and pillar width and limit equilibrium theory of narrow pillar width, and finally it is determined that the narrow pillar width is five meters. Then deep analysis is conducted to the impact of stress distribution law between narrow pillar and wide pillar to this section face mining. Key words large pillar; narrow pillar; roadway in gob entry driving; pillar width; double U-shaped
Table 1
岩层 上覆岩层 基本顶 直接顶 伪顶 煤层 直接底 基本底 下覆岩层 节理
表 1 各岩层及节理力学参数 Mechanical parameters of the various strata and joints
体积模 量/GPa 4.8 5.8 2.7 1.4 2.4 2.6 3.9 4.8 剪切模 量/GPa 2.45 3.0 1.45 0.21 1.0 1.0 1.2 2.45 密度/ (kg·m-3) 2 500 2 550 2 300 2 100 1 415 2 300 2 500 25 00 摩擦角 /(°) 24 28 32 23 20 23 26 24 黏结力 /MPa 20 20 4.2 0.6 3.6 4.5 20 20 抗拉强 度/MPa 10 10 2.9 0.7 1.4 1.8 4 10
(1．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 安全开采国家重点实验室，北京 北京 100083；2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与 047100) 100083；3．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，
100083；4．山西高河能源有限公司，山西 长治
摘要 大煤柱内沿空掘巷是基于工作面双 U 型巷道布置方式提出的一种新技术， 本文针对其具体 生产地质条件，运用极限平衡理论、数值分析和现场实践相结合的方法，得出大煤柱内沿空掘巷 窄煤柱合理宽度的确定方法，即从上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤柱应力分布、巷道围 岩应力分布、巷道围岩塑性区分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系及窄煤柱宽度的极限平衡理 论计算 6 个方面综合考虑窄煤柱的宽度，最终确定窄煤柱宽度为 5 m，并深度分析了本区段工作 面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应力分布规律的影响。 关键词 大煤柱；窄煤柱；沿空掘巷；煤柱宽度；双 U 型 中图分类号 TD 353 文献标志码 A
2
数值模拟模型建立
本文采用 FLAC3D 数值计算软件进行模拟分
析。根据该矿现场地质条件和实际工作面空间位置 关系，并综合考虑各方面的因素，建立大煤柱内沿 空掘巷数值模型， 如图 3 所示。 整个模型尺寸(长× 宽×高)确定为： 220 m×220 m×75 m， 共有 316 800 个块体、340 119 个节点，+X 方向为工作面的走向 方向，+Y 方向为巷道掘进方向，+Z 方向为垂直向 上， 模型上部边界施加的载荷按采深 441.5 m 计算， 底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定；根 据现场地质资料， 侧压系数为 1.2。 E1305 工作面模 拟回采长度 80 m，E1303 工作面模拟回采长度 80 m。E1303 瓦排巷断面为矩形断面，宽为 5.0 m，高 为 3.5 m，沿顶板掘进。护巷煤柱宽度的确定与沿 空巷道支护方式有重要关系[9]，本文模拟的巷道支 护采用锚杆支护技术，模拟中锚杆支护强度可达 0.25 MPa 左右。各岩层及节理力学参数详见表 1。
(1．Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)， Beijing 100083，China；2．State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；3．School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；4．Shanxi Gaohe Energy Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 047100，China)
柏建彪等[5]通过数值计算分析确定合理的窄煤 柱宽度为：软煤 4~5 m，中硬煤 3~4 m；谢广祥等
[6]
图 2 E1305 工作面巷道布置示意图 Fig.2 Schematic diagram in E1305 workface
揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变 化规律的影响，并指出护巷煤柱的合理宽度应小于 巷帮实体煤内应力向煤柱内转移的临界宽度；王卫 军等[7]得出基本顶给定变形下综放沿空掘巷合理窄 煤柱宽度的计算公式；陆士良等[8]在分析研究 200 余条巷道实例的基础上，得出护巷煤柱宽度与巷道 围岩变形的普遍关系表达式。而对大煤柱内沿空掘 巷窄煤柱合理宽度的确定问题研究尚属空白。本文 分析了上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤 柱应力分布、巷道围岩应力分布、巷道围岩塑性区 分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系，并深度分 析了本区段工作面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应 力分布规律的影响，得出大煤柱内沿空掘巷窄煤柱 合理宽度的确定方法。
256
采矿与安全工程学报
第 31 卷
大煤柱内沿空掘巷是上区段工作面回采稳定 以后，在大煤柱内沿上区段采空区边缘留窄煤柱掘 进本区段工作面回采巷道， 是基于工作面双 U 型巷 道布置方式提出的一种新技术 。为研究方便，本 文将大煤柱内沿空掘巷后两侧煤柱分别命名为窄 煤柱和宽煤柱(如图 1)， 大煤柱内沿空掘巷后破坏了 原有大煤柱内的围岩应力平衡，使得窄煤柱内和宽 煤柱内的围岩应力重新分布，尤其在本区段工作面 回采后，窄煤柱内和宽煤柱内的围岩应力进一步变 化调整，以适应新的围岩变形，从而达到新的围岩 应力平衡。回采巷道围岩的稳定性主要取决于围岩 强度、应力状况及支护与围岩的相互作用关系[2-4]。 因此在大煤柱内沿空掘巷围岩强度、支护与围岩的 相互作用关系一定的情况下，应力状况是决定其围 岩稳定性的主要因素。大煤柱内沿空掘巷围岩应力 较普通沿空掘巷复杂多变，为更好控制巷道围岩稳 定性，更需对窄煤柱宽度进行合理确定。
第 31 卷 第 2 期 2014 年 03 月 文章编号：1673-3363-(2014)02-0255-081
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
Vol.31 No.2 Mar. 2014
大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
张科学 1，姜耀东 2,3，张正斌 4，张永平 4，庞绪峰 1，曾宪涛 3
1
试验巷道工程概况
试验巷道为某矿 E1303 工作面瓦排巷(以下简
称“ E1303 瓦排巷”)，E1303 和 E1305 工作面回采
E1305 工作面
第2期
张科学等：大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
257
数值计算过程为：原岩应力平衡计算→掘进 E1305 运输巷和 E1305 辅运巷(E1303 回风巷，即 E1305 工作面回采完毕以后作为下一个工作面(E1303 工 作面)的回风巷)及锚杆支护计算→E1305 工作面回 采计算→掘进 E1303 瓦排巷(大煤柱内沿空掘巷)及 锚杆支护计算→E1303 工作面回采计算。
DOI:10.13545/j.issn1673-3363.2014.02.015
Determining the reasonable width of narrow pillar of roadway in gob entry driving in the large pillar
ZHANG Kexue1，JIANG Yaodong2,3，ZHANG Zhengbin4， ZHANG Yongping4，PANG Xufeng1，ZENG Xiantao3
正压刚度 3 000 MPa、剪切刚度 1 000 MPa、 黏结强度 2.8 MPa、摩擦因数 0.32
Hale Waihona Puke Baidu
+450 m +450 水平东翼 m水 平东 回风大 +450 巷 翼 m +450 水平东 回风大 1 巷2 翼辅 m水 +450 平东翼 运大巷 m水 进风 平东 大巷 翼胶 带大 巷
图 1 大煤柱内沿空掘巷空间位置关系示意图 Fig. 1 Showing the relationship of the spatial position of roadway driving along next goaf in large pillar
[1]
的 3#煤层赋存于二叠系下统山西组(P1s)， 煤层埋深 平均为 480 m，厚度平均为 6.5 m，倾角平均为 8°。 E1303 和 E1305 工作面长度为 295 m 左右，切眼至 停采线长度为 1 785 m 左右。3#煤层顶底板岩性详 见表 1。E1305 工作面巷道布置关系如图 2。
E1305工作面 (上区段回采) E1303瓦排巷(沿空掘巷) 窄煤柱 宽煤柱 E1303工作面 (本区段回采) 下覆岩层 基本底 直接底 煤层 伪顶 直接顶 基本顶 上覆岩层
收稿日期：2012-11-16 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB226801，2010CB226804)；国家自然科学基金项目(51174213)；新世纪优秀人才支持 计划项目(NCET-10-0775)；中央高校基本科研业务专项资金项目(2009QM001) 作者简介：张科学(1986-)，男，河南省永城市人，博士，从事冲击地压、巷道围岩控制方面的研究。 E-mail：zhkexue@163.com Tel：13366030731
Abstract Gob entry driving in the large pillar is a new technology based on double U-shaped roadway layout of the face. According to the geological conditions, certain method of reasonable width of narrow pillar in gob entry driving in the large pillar is obtained based on the combination of limit equilibrium theory, numerical calculation and field practice. It takes into account six parameters for the narrow pillar width from distribution of stress of the section of the lateral support goaf, stress distribution of coal pillars, stress distribution of surrounding rock, plastic zone distribution of surrounding rock, the relationship between deformation of surrounding rock and pillar width and limit equilibrium theory of narrow pillar width, and finally it is determined that the narrow pillar width is five meters. Then deep analysis is conducted to the impact of stress distribution law between narrow pillar and wide pillar to this section face mining. Key words large pillar; narrow pillar; roadway in gob entry driving; pillar width; double U-shaped
Table 1
岩层 上覆岩层 基本顶 直接顶 伪顶 煤层 直接底 基本底 下覆岩层 节理
表 1 各岩层及节理力学参数 Mechanical parameters of the various strata and joints
体积模 量/GPa 4.8 5.8 2.7 1.4 2.4 2.6 3.9 4.8 剪切模 量/GPa 2.45 3.0 1.45 0.21 1.0 1.0 1.2 2.45 密度/ (kg·m-3) 2 500 2 550 2 300 2 100 1 415 2 300 2 500 25 00 摩擦角 /(°) 24 28 32 23 20 23 26 24 黏结力 /MPa 20 20 4.2 0.6 3.6 4.5 20 20 抗拉强 度/MPa 10 10 2.9 0.7 1.4 1.8 4 10
(1．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 安全开采国家重点实验室，北京 北京 100083；2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与 047100) 100083；3．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，
100083；4．山西高河能源有限公司，山西 长治
摘要 大煤柱内沿空掘巷是基于工作面双 U 型巷道布置方式提出的一种新技术， 本文针对其具体 生产地质条件，运用极限平衡理论、数值分析和现场实践相结合的方法，得出大煤柱内沿空掘巷 窄煤柱合理宽度的确定方法，即从上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤柱应力分布、巷道围 岩应力分布、巷道围岩塑性区分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系及窄煤柱宽度的极限平衡理 论计算 6 个方面综合考虑窄煤柱的宽度，最终确定窄煤柱宽度为 5 m，并深度分析了本区段工作 面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应力分布规律的影响。 关键词 大煤柱；窄煤柱；沿空掘巷；煤柱宽度；双 U 型 中图分类号 TD 353 文献标志码 A
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数值模拟模型建立
本文采用 FLAC3D 数值计算软件进行模拟分
析。根据该矿现场地质条件和实际工作面空间位置 关系，并综合考虑各方面的因素，建立大煤柱内沿 空掘巷数值模型， 如图 3 所示。 整个模型尺寸(长× 宽×高)确定为： 220 m×220 m×75 m， 共有 316 800 个块体、340 119 个节点，+X 方向为工作面的走向 方向，+Y 方向为巷道掘进方向，+Z 方向为垂直向 上， 模型上部边界施加的载荷按采深 441.5 m 计算， 底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定；根 据现场地质资料， 侧压系数为 1.2。 E1305 工作面模 拟回采长度 80 m，E1303 工作面模拟回采长度 80 m。E1303 瓦排巷断面为矩形断面，宽为 5.0 m，高 为 3.5 m，沿顶板掘进。护巷煤柱宽度的确定与沿 空巷道支护方式有重要关系[9]，本文模拟的巷道支 护采用锚杆支护技术，模拟中锚杆支护强度可达 0.25 MPa 左右。各岩层及节理力学参数详见表 1。
(1．Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)， Beijing 100083，China；2．State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；3．School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；4．Shanxi Gaohe Energy Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 047100，China)
柏建彪等[5]通过数值计算分析确定合理的窄煤 柱宽度为：软煤 4~5 m，中硬煤 3~4 m；谢广祥等
[6]
图 2 E1305 工作面巷道布置示意图 Fig.2 Schematic diagram in E1305 workface
揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变 化规律的影响，并指出护巷煤柱的合理宽度应小于 巷帮实体煤内应力向煤柱内转移的临界宽度；王卫 军等[7]得出基本顶给定变形下综放沿空掘巷合理窄 煤柱宽度的计算公式；陆士良等[8]在分析研究 200 余条巷道实例的基础上，得出护巷煤柱宽度与巷道 围岩变形的普遍关系表达式。而对大煤柱内沿空掘 巷窄煤柱合理宽度的确定问题研究尚属空白。本文 分析了上区段采空区侧向支承应力分布规律和煤 柱应力分布、巷道围岩应力分布、巷道围岩塑性区 分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系，并深度分 析了本区段工作面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应 力分布规律的影响，得出大煤柱内沿空掘巷窄煤柱 合理宽度的确定方法。
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采矿与安全工程学报
第 31 卷
大煤柱内沿空掘巷是上区段工作面回采稳定 以后，在大煤柱内沿上区段采空区边缘留窄煤柱掘 进本区段工作面回采巷道， 是基于工作面双 U 型巷 道布置方式提出的一种新技术 。为研究方便，本 文将大煤柱内沿空掘巷后两侧煤柱分别命名为窄 煤柱和宽煤柱(如图 1)， 大煤柱内沿空掘巷后破坏了 原有大煤柱内的围岩应力平衡，使得窄煤柱内和宽 煤柱内的围岩应力重新分布，尤其在本区段工作面 回采后，窄煤柱内和宽煤柱内的围岩应力进一步变 化调整，以适应新的围岩变形，从而达到新的围岩 应力平衡。回采巷道围岩的稳定性主要取决于围岩 强度、应力状况及支护与围岩的相互作用关系[2-4]。 因此在大煤柱内沿空掘巷围岩强度、支护与围岩的 相互作用关系一定的情况下，应力状况是决定其围 岩稳定性的主要因素。大煤柱内沿空掘巷围岩应力 较普通沿空掘巷复杂多变，为更好控制巷道围岩稳 定性，更需对窄煤柱宽度进行合理确定。
第 31 卷 第 2 期 2014 年 03 月 文章编号：1673-3363-(2014)02-0255-081
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
Vol.31 No.2 Mar. 2014
大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
张科学 1，姜耀东 2,3，张正斌 4，张永平 4，庞绪峰 1，曾宪涛 3
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试验巷道工程概况
试验巷道为某矿 E1303 工作面瓦排巷(以下简
称“ E1303 瓦排巷”)，E1303 和 E1305 工作面回采
E1305 工作面
第2期
张科学等：大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
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数值计算过程为：原岩应力平衡计算→掘进 E1305 运输巷和 E1305 辅运巷(E1303 回风巷，即 E1305 工作面回采完毕以后作为下一个工作面(E1303 工 作面)的回风巷)及锚杆支护计算→E1305 工作面回 采计算→掘进 E1303 瓦排巷(大煤柱内沿空掘巷)及 锚杆支护计算→E1303 工作面回采计算。
DOI:10.13545/j.issn1673-3363.2014.02.015
Determining the reasonable width of narrow pillar of roadway in gob entry driving in the large pillar
ZHANG Kexue1，JIANG Yaodong2,3，ZHANG Zhengbin4， ZHANG Yongping4，PANG Xufeng1，ZENG Xiantao3
正压刚度 3 000 MPa、剪切刚度 1 000 MPa、 黏结强度 2.8 MPa、摩擦因数 0.32
Hale Waihona Puke Baidu
+450 m +450 水平东翼 m水 平东 回风大 +450 巷 翼 m +450 水平东 回风大 1 巷2 翼辅 m水 +450 平东翼 运大巷 m水 进风 平东 大巷 翼胶 带大 巷
图 1 大煤柱内沿空掘巷空间位置关系示意图 Fig. 1 Showing the relationship of the spatial position of roadway driving along next goaf in large pillar