论文部分内容阅读
【摘 要】 文章针对山西某矿工作面沿空掘巷煤柱留设宽度的难题，采用理论分析以及数值模拟的方法，对大采高工作面留设的窄煤柱宽度进行了研究。理论研究结果表明，煤柱宽度应不低于6.5m，以此为基础，模拟了煤柱宽度为3m、5m、7m以及9m条件下煤柱稳定性以及巷道围岩变形情况，数值分析结果表明，当煤柱宽度为7m时，可以保证煤柱与巷道的稳定性，并实现对煤炭资源的回收。
【关键词】 沿空掘巷；窄煤柱；应力分布规律；围岩变形特征
【中图分类号】 TD822+.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0016-03
20世纪50年代，国内外开展了无煤柱开采技术的研究，包括沿空留巷和沿空掘巷两种方法，并且在无煤柱开采矿压显现规律以及围岩控制技术方面取得了诸多成果，对现场生产起到了很大的指导作用。沿空留巷与沿空掘巷两种方法中巷道周围的应力条件以及围岩破坏情况有着较大的区别。沿空留巷即在上区段工作面回采时开始进行，采用这种开采方式，所留巷道一般会经历本工作面以及下区段工作面两次回采影响，因此巷道围岩通常变形比较严重，维护比较困难。沿空掘巷即采用留设小煤柱的方式配合合理的支护方式，保证巷道在正常使用期间的稳定性，由于新掘进的巷道位于工作面侧向应力降低区域内，因此巷道围岩条件以及维护难度要小于沿空留巷。
基于沿空掘巷巷道的围岩条件，以山西某矿大采高工作面为研究背景，对窄煤柱合理留设宽度进行研究，研究所得结果对于其他类似条件工作面可提供一定依据。
1工程背景
山西某矿18501工作面井下位于矿区南部，北邻已回采的18502工作面，南邻已回采的18307工作面，西邻南983运输大巷，东邻西983运输大巷。工作面上方为4号煤14501、14504采空区，煤层间距为65米左右。各工作面均留设保护煤柱。工作面周边无相邻巷道。工作面开采范围内，煤层厚度为3.8～4.4m，平均厚度为4.2m，煤层倾角为1°～9°，平均为3°，属于稳定可采煤层。8号煤层结构简单，中部普遍含有一层泥岩夹矸，夹矸厚度变化不大。8号煤层局部顶板为0.23m的炭质泥岩伪顶，直接顶为2.4m的石灰岩，直接底板为1.54m细砂岩，老底为3.13米的粉砂岩。18501工作面采高为4.2m，为大采高工作面，工作面倾斜长度为145m，走向长度为1550m，18501工作面位置如图1所示。
2窄煤柱留设理论分析
2.1窄煤柱留设原则
一般条件下，巷道围岩自身性质、所处应力环境以及支护技术是影响巷道稳定性的主要因素。采用沿空掘巷方法，上区段工作面回采，会在其四周形成支承压力，由于支承压力往往大于原岩应力，因此采空区四周煤岩体相对较破碎。留小煤柱沿空掘巷巷道往往处于采空区侧向支承压力的应力降低区域内，巷道围岩应力水平较低，围岩条件较好。工作面的回采造成超前支承压力以及侧向支承压力增大，基本顶岩层形成的三角结构产生活动，对工作面侧向煤柱产生更大的影响，煤柱两侧破碎区逐渐扩大，因此保证煤柱的稳定性，是沿空掘巷成功的主要影响因素。
煤柱宽度增大有利于维持煤柱的完整，保证巷道围岩的稳定性，但往往会造成煤炭资源的浪费，选择合理的煤柱宽度一方面可保证巷道安全，另一方面可避免资源的浪费。沿空掘巷窄煤柱留设有以下几个原则：
（1）巷道位置需在侧向支承压力的应力降低区域内，保证窄煤柱的稳定性。
（2）保证窄煤柱内部有一定的稳定核区，若窄煤柱破碎区范围过大，其支承能力无法满足维持稳定需求。
（3）尽可能提高煤炭资源回收率。
（4）保证窄煤柱漏风情况不超过标准。
2.2工作面周围应力分布特征
工作面的开采使煤层所处的应力状态发生改变，应力发生重新分布。工作面巷道圍岩变形情况除了与自身力学性质有关外，主要受到工作面的回采影响，工作面开采后，由于顶板岩层失去支承物，其载荷逐渐向工作面周围转移，形成支承压力，如图2所示。
由图2可以看出，工作面开采后，在其前方会形成超前支承压力，此范围随着工作面的前进而不断前移。工作面向前推进一定的距离后，顶板垮落岩层会在采空区对顶板形成一定的支承能力，称为采空区支承压力。在工作面的两侧会形成侧向支承压力，侧向支承压力在工作面推进较远后，其范围逐渐趋于稳定。
支承压力的显现主要以其分布范围、形式以及应力峰值来表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩应力大小的比值。支承压力分布参数主要包括煤柱的破碎区宽度x0，塑性区宽度x0′以及支承压力的影响距离x1。上述参数获取方法主要采用现场实测和数值计算等方法。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，影响范围为40～60m，应力增高系数为2.5～3。工作面侧向支承压力影响范围一般为15～30m，支承应力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。采空区支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。在两个相邻的工作面其侧向支承压力往往会形成叠加，应力水平增大。
3数值模拟分析
3.1数值模型建立
根据18501工作面周围情况，模拟沿工作面采空区留窄煤柱掘巷的稳定性。模拟煤层厚度4.2m。将煤层划分为0.5m×0.5m（宽×高，以下同）的块体，直接顶1.2m×0.6m，底板1.2m×0.8m，作为基本顶岩层厚为15m。整个模型尺寸（宽×高）300m×95m，上边界载荷按采深450m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，原始计算模型如图3所示。
根据理论计算得出工作面煤柱为6.5m，因此数值模拟分析煤柱宽度为3m、5m、7m、9m四种情况下煤柱内部应力以及巷道表面位移情况，从而确定最佳煤柱尺寸。
3.2数值模拟分析 图4为数值模拟18502工作面推进后4种煤柱宽度条件下，煤柱内部应力分布的情况。由图分析可知，当煤柱宽度为3m、5m时，煤柱内部垂直应力峰值为25MPa左右，应力峰值位置在煤柱内2～3m范围内；当煤柱宽度为7m、9m时，煤柱内部垂直应力峰值为19MPa左右，应力峰值位置在煤柱内3～4m范围内。对比四种不同煤柱宽度条件下垂直应力分布情况，可以看出当煤柱宽度大于5m时，煤柱内部垂直应力明显降低，应力峰值减小了24%，煤柱宽度为7m和9m条件下，垂直应力大小变化不大，因此煤柱宽度为7m与9m条件下，可以保证煤柱稳定性。
18502工作面回采时，对运输顺槽表面位移情况进行监测，图5为四种煤柱宽度条件下巷道顶底板移近量以及两帮移近量变化特征图。由图可知，四种煤柱宽度条件下巷道顶底板移近量明显大于两帮移近量。当煤柱宽度为3m、5m时，巷道围岩变形量较大；当煤柱宽度大于5m时，巷道围岩变形量明显减小；煤柱宽度为7m、9m时，巷道围岩变形量变化并不明显，因此可判断当煤柱宽度大于5m时，巷道具有一定的安全性。
综上所述，在保证煤柱与巷道围岩的稳定性的条件下，为尽可能对煤柱资源进行回收，确定煤柱宽度为7m。
本文通过理论分析的方法，对山西某矿18501工作面煤柱宽度进行了计算，确定窄煤柱宽度不应小于6.5m。应用数值模拟分析方法，对煤柱宽度分别为3m、5m、7m、9m情况下煤柱内应力分布情况以及巷道围岩情况进行了分析，最终确定煤柱宽度为7m时，既可以保证煤柱与巷道的稳定性，并能够对煤炭资源进行充分回收。
【参考文献】
[1]侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J].煤炭学报，2001，26（1）：1-7.
[2]柏建彪.沿空掘巷围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006：13-62.
[3]马其华，王宜泰.深井沿空巷道小煤柱护巷机理及支护技术[J].采矿与安全工程学报，2009，26（4）：520-523.
[4]屠世浩，白庆升，屠洪盛，等.浅埋煤层综采面护巷煤柱尺寸和布置方案优化[J].采矿与安全工程学报，2011，28（4）：505-510.
[5]李磊，柏建彪，王襄禹，等.综放沿空掘巷合理位置及控制技术[J].煤炭学报，2012，37（9）：1564-1569.
[6]余忠林，涂敏.大采高工作面沿空掘巷合理位置模擬与应用[J].采矿与安全工程学报，2006，23（2）：197-200.
【关键词】 沿空掘巷；窄煤柱；应力分布规律；围岩变形特征
【中图分类号】 TD822+.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0016-03
20世纪50年代，国内外开展了无煤柱开采技术的研究，包括沿空留巷和沿空掘巷两种方法，并且在无煤柱开采矿压显现规律以及围岩控制技术方面取得了诸多成果，对现场生产起到了很大的指导作用。沿空留巷与沿空掘巷两种方法中巷道周围的应力条件以及围岩破坏情况有着较大的区别。沿空留巷即在上区段工作面回采时开始进行，采用这种开采方式，所留巷道一般会经历本工作面以及下区段工作面两次回采影响，因此巷道围岩通常变形比较严重，维护比较困难。沿空掘巷即采用留设小煤柱的方式配合合理的支护方式，保证巷道在正常使用期间的稳定性，由于新掘进的巷道位于工作面侧向应力降低区域内，因此巷道围岩条件以及维护难度要小于沿空留巷。
基于沿空掘巷巷道的围岩条件，以山西某矿大采高工作面为研究背景，对窄煤柱合理留设宽度进行研究，研究所得结果对于其他类似条件工作面可提供一定依据。
1工程背景
山西某矿18501工作面井下位于矿区南部，北邻已回采的18502工作面，南邻已回采的18307工作面，西邻南983运输大巷，东邻西983运输大巷。工作面上方为4号煤14501、14504采空区，煤层间距为65米左右。各工作面均留设保护煤柱。工作面周边无相邻巷道。工作面开采范围内，煤层厚度为3.8～4.4m，平均厚度为4.2m，煤层倾角为1°～9°，平均为3°，属于稳定可采煤层。8号煤层结构简单，中部普遍含有一层泥岩夹矸，夹矸厚度变化不大。8号煤层局部顶板为0.23m的炭质泥岩伪顶，直接顶为2.4m的石灰岩，直接底板为1.54m细砂岩，老底为3.13米的粉砂岩。18501工作面采高为4.2m，为大采高工作面，工作面倾斜长度为145m，走向长度为1550m，18501工作面位置如图1所示。
2窄煤柱留设理论分析
2.1窄煤柱留设原则
一般条件下，巷道围岩自身性质、所处应力环境以及支护技术是影响巷道稳定性的主要因素。采用沿空掘巷方法，上区段工作面回采，会在其四周形成支承压力，由于支承压力往往大于原岩应力，因此采空区四周煤岩体相对较破碎。留小煤柱沿空掘巷巷道往往处于采空区侧向支承压力的应力降低区域内，巷道围岩应力水平较低，围岩条件较好。工作面的回采造成超前支承压力以及侧向支承压力增大，基本顶岩层形成的三角结构产生活动，对工作面侧向煤柱产生更大的影响，煤柱两侧破碎区逐渐扩大，因此保证煤柱的稳定性，是沿空掘巷成功的主要影响因素。
煤柱宽度增大有利于维持煤柱的完整，保证巷道围岩的稳定性，但往往会造成煤炭资源的浪费，选择合理的煤柱宽度一方面可保证巷道安全，另一方面可避免资源的浪费。沿空掘巷窄煤柱留设有以下几个原则：
（1）巷道位置需在侧向支承压力的应力降低区域内，保证窄煤柱的稳定性。
（2）保证窄煤柱内部有一定的稳定核区，若窄煤柱破碎区范围过大，其支承能力无法满足维持稳定需求。
（3）尽可能提高煤炭资源回收率。
（4）保证窄煤柱漏风情况不超过标准。
2.2工作面周围应力分布特征
工作面的开采使煤层所处的应力状态发生改变，应力发生重新分布。工作面巷道圍岩变形情况除了与自身力学性质有关外，主要受到工作面的回采影响，工作面开采后，由于顶板岩层失去支承物，其载荷逐渐向工作面周围转移，形成支承压力，如图2所示。
由图2可以看出，工作面开采后，在其前方会形成超前支承压力，此范围随着工作面的前进而不断前移。工作面向前推进一定的距离后，顶板垮落岩层会在采空区对顶板形成一定的支承能力，称为采空区支承压力。在工作面的两侧会形成侧向支承压力，侧向支承压力在工作面推进较远后，其范围逐渐趋于稳定。
支承压力的显现主要以其分布范围、形式以及应力峰值来表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩应力大小的比值。支承压力分布参数主要包括煤柱的破碎区宽度x0，塑性区宽度x0′以及支承压力的影响距离x1。上述参数获取方法主要采用现场实测和数值计算等方法。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，影响范围为40～60m，应力增高系数为2.5～3。工作面侧向支承压力影响范围一般为15～30m，支承应力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。采空区支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。在两个相邻的工作面其侧向支承压力往往会形成叠加，应力水平增大。
3数值模拟分析
3.1数值模型建立
根据18501工作面周围情况，模拟沿工作面采空区留窄煤柱掘巷的稳定性。模拟煤层厚度4.2m。将煤层划分为0.5m×0.5m（宽×高，以下同）的块体，直接顶1.2m×0.6m，底板1.2m×0.8m，作为基本顶岩层厚为15m。整个模型尺寸（宽×高）300m×95m，上边界载荷按采深450m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，原始计算模型如图3所示。
根据理论计算得出工作面煤柱为6.5m，因此数值模拟分析煤柱宽度为3m、5m、7m、9m四种情况下煤柱内部应力以及巷道表面位移情况，从而确定最佳煤柱尺寸。
3.2数值模拟分析 图4为数值模拟18502工作面推进后4种煤柱宽度条件下，煤柱内部应力分布的情况。由图分析可知，当煤柱宽度为3m、5m时，煤柱内部垂直应力峰值为25MPa左右，应力峰值位置在煤柱内2～3m范围内；当煤柱宽度为7m、9m时，煤柱内部垂直应力峰值为19MPa左右，应力峰值位置在煤柱内3～4m范围内。对比四种不同煤柱宽度条件下垂直应力分布情况，可以看出当煤柱宽度大于5m时，煤柱内部垂直应力明显降低，应力峰值减小了24%，煤柱宽度为7m和9m条件下，垂直应力大小变化不大，因此煤柱宽度为7m与9m条件下，可以保证煤柱稳定性。
18502工作面回采时，对运输顺槽表面位移情况进行监测，图5为四种煤柱宽度条件下巷道顶底板移近量以及两帮移近量变化特征图。由图可知，四种煤柱宽度条件下巷道顶底板移近量明显大于两帮移近量。当煤柱宽度为3m、5m时，巷道围岩变形量较大；当煤柱宽度大于5m时，巷道围岩变形量明显减小；煤柱宽度为7m、9m时，巷道围岩变形量变化并不明显，因此可判断当煤柱宽度大于5m时，巷道具有一定的安全性。
综上所述，在保证煤柱与巷道围岩的稳定性的条件下，为尽可能对煤柱资源进行回收，确定煤柱宽度为7m。
本文通过理论分析的方法，对山西某矿18501工作面煤柱宽度进行了计算，确定窄煤柱宽度不应小于6.5m。应用数值模拟分析方法，对煤柱宽度分别为3m、5m、7m、9m情况下煤柱内应力分布情况以及巷道围岩情况进行了分析，最终确定煤柱宽度为7m时，既可以保证煤柱与巷道的稳定性，并能够对煤炭资源进行充分回收。
【参考文献】
[1]侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J].煤炭学报，2001，26（1）：1-7.
[2]柏建彪.沿空掘巷围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006：13-62.
[3]马其华，王宜泰.深井沿空巷道小煤柱护巷机理及支护技术[J].采矿与安全工程学报，2009，26（4）：520-523.
[4]屠世浩，白庆升，屠洪盛，等.浅埋煤层综采面护巷煤柱尺寸和布置方案优化[J].采矿与安全工程学报，2011，28（4）：505-510.
[5]李磊，柏建彪，王襄禹，等.综放沿空掘巷合理位置及控制技术[J].煤炭学报，2012，37（9）：1564-1569.
[6]余忠林，涂敏.大采高工作面沿空掘巷合理位置模擬与应用[J].采矿与安全工程学报，2006，23（2）：197-200.