特厚煤层沿空掘巷煤柱塑性区宽度研究_赵腾飞.pdf

第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：边晶莹第一作者简介：赵腾飞（），河南周口人，硕士，工程师，主要研究方向为矿山压力与岩层控制、矿井灾害治理，：。引用格式：赵腾飞，种阳，马国伟特厚煤层沿空掘巷煤柱塑性区宽度研究中国矿业，（）：，（）：文章编号：（）：特厚煤层沿空掘巷煤柱塑性区宽度研究赵腾飞，种阳，马国伟，（陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 ；渭南陕煤启辰科技有限公司，陕西 渭南 ；煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 ）摘要：为了解决特厚煤层条件下沿空掘巷围岩稳定性及掘巷煤柱留设合理宽度问题，本文以建新煤矿 特厚煤层工作面为工程背景，建立极限平衡区应力方程，得到不同煤柱宽度条件下，煤柱体两侧向支承应力的分布特征，通过分析采空区侧煤柱和巷道侧煤柱塑性区宽度，得到沿空掘巷在特厚煤层条件下煤柱的合理留设宽度。试验结果表明：采空区侧塑性区宽度为 ，煤柱侧塑性区宽度为 ，煤柱核心承载区在不同煤柱宽度条件下，随着留设煤柱宽度的增大而不断扩大，集中应力区域也随之增大，最终确定特厚煤层条件下沿空掘巷煤柱合理宽度为。由此可知，煤体完整性较好，巷道围岩稳定性得以控制，取得了较好的支护效果。关键词：特厚煤层；塑性区；数值模拟；围岩控制中图分类号：文献标识码：，（，；，；，）：，：；中 国 矿 业第 卷引言目前，国内外对于高地应力和高矿压的处理方式只有加强支护和开采方法避压两种手段。国内许多矿井支护工程都是运用高强度支护和让压组合的方式，采用支护形式上有高强度支撑结构和锚固的技术，支护器具如高强度 型类钢支架棚组、包裹着钢筋或钢管的混合倒梯形高强混凝土等。锚固方式主要采取预加载锚固力的锚（索）杆、对重点区段进行特殊密集加固等，这些都是解决高矿压巷道的必然措施。建新煤矿巷道变形剧烈，也曾采取加强支护措施、锚索加粗以及采用全锚索支护等方法，虽有收效，但无法彻底解决问题。除了高强度支护以外，利用采矿矿压转移原理避免巷道长期处于高矿压的方法是可行的，因此沿空留设巷、沿空采掘巷是确切可行的措施。张玉祥等通过将模糊数学和神经元网络结合建立起巷道围岩稳定性识别模型，利用智能决策系统划分出不同宽度的区段煤柱围岩完整区域来明确煤柱稳定性的办法；陈忠辉等在大同煤业集团技术中心对忻州窑矿 工作面综合机械化开采煤岩体块断裂变形特点进行分析，运用 软件对综合机械化放采顶板煤层 回采工作面围岩损伤进行探究，获取 条件下单元节点应力值、破坏位移值及塑性区变化范围结果；陈学伟等分析山东兖矿集团下属某矿 工作面沿空掘巷区段矿压活动，采用布置联络巷跨过回采工作面滞后开挖下区段运输顺槽的方法，成功地将区段煤柱范围控制在内；惠兴田、谢俊文等 对松软煤体特厚煤层煤柱体进行破断监测并结合自稳隐形拱理论分析，在瓦斯浓度高的松软破碎煤层下，运用锚网（索）耦合支护，可以将区段煤柱尺寸控制在之间。由此可见，夹矸厚煤层条件下沿空掘巷的煤柱体应力变化规律以及稳定性问题亟需进一步深入地研究。区段煤柱合理宽度计算 采空区边缘煤柱塑性区计算根据 沿空掘巷工作面布置可建立采空区侧煤柱边缘力学计算模型（图），由此可建立求解塑性区界面应力的平衡方程（式），获得采空区侧煤柱边缘极限强度位置的实际距离。（）式中：为采空区侧散落岩体对煤壁面沿方向的约束力，；为煤层与顶底板界限的剪切应力，；为煤层厚度，；为采空区侧至煤柱体极限强度作用处的距离，。图采空区侧煤柱边缘体力学计算模型 采空区侧煤柱边沿的应力分布和塑性区跨度范围与煤层厚度、侧压系数及煤柱体极限强度维持正增长，与煤体与顶底板黏聚力、内摩擦角、采空侧支护阻力有负向联系。采空区侧的煤柱情况比较复杂，由于临近 工作面回采工作后塌落的煤体和岩块相互咬合铰接，将采空区充填，这些碎胀的煤岩块与未放煤层段是相互联系的，存在相互耦合关系，同时顶板垮落的煤岩块对煤柱也有侧向的压力，是多种参数耦合作用的结果，因此需将采空区边缘的支护参数考虑进去，可利用经验公式计算，见式（）。（）（）式中：为破碎煤体重度，；为煤层厚度，；为煤岩块的内摩擦角，（）。将式（）带入式（），能够获得有支护的情形中边缘塑性区宽度的具体计算公式见式（）。（）（）（）将 工作面地质工况数据代入到式（）可以获得当煤层厚度 时，在的情况下宽度 。巷道侧边缘煤柱塑性区计算根据 沿空掘巷工作面布置可建立巷道侧煤柱边缘力学计算模型（图），由图可得求解平衡方程（式），获得巷道侧煤柱边缘极限强度位置的实际距离。（）第期赵腾飞，等：特厚煤层沿空掘巷煤柱塑性区宽度研究图巷道侧煤柱边缘体力学计算模型 式中：为掘巷支护对煤壁面沿 水 平 的约 束力，；为煤体与顶底板界限处的剪切力，；为开采煤层厚度，；为运输巷帮至煤柱体极限强度作用处距离，。极限平衡区跨度范围是塑性区的宽度，煤体边缘应力分布与煤柱体极限强度（即支承压力峰值）、煤层开采厚度、侧压系数、煤体与顶板的黏聚力、摩擦角及巷道煤壁面一侧支护阻力都具有密切联系。由式（）可以看出，塑性区宽度与煤层埋深、煤层开采厚度、侧压系数保持正相关，与内摩擦角、煤体与顶板的黏聚力和煤帮侧向支护阻力保持负相关。依据国内外的研究报告，在煤层开采深度为 范围内应力平衡区的宽度范围几乎与开采的深度成正比增长。界面内摩擦角及黏聚力对应力极限平衡区跨度范围干扰较广，一般而言，内摩擦角与底板围岩的力学参数及接触面的完整平滑度相关，与岩体自身破坏裂隙发展无关。随着不断增加的煤厚度层，同样地质情况和支护强度的应力极限平衡区的跨度范围也随之增加，对于特厚煤层条件下，为了使计算的塑性区宽度更符合实际工程情况，要采取适当的措施来保持顶底板的完整，加固巷道围岩体保持巷道完整度。界面黏聚力会随着煤层的破坏而减小，尤其是受到采动的影响，在煤层与顶底板间接触面黏聚力减小的情况下，增加支护参数值对于巷道围岩完整性具有较大的作用，同时也能更好地控制应力极限平衡区宽度范围，保证回采顺利完工。考虑到区段煤柱属于核心承载区，对于煤柱的承载 力 的 研 究 尤 其 重 要，而 目 前 采 取 的 屈服原理、简化荷载计算公式均未能研究到主动应力的作用，因此采用平面应变状态下的 破坏标准，建立空间滑动面研究个主应力的破坏标准，根据 标准煤柱体极限强度计算公式见式（）式（）。（）（）（）（）（）式中：为煤体黏聚力，；为煤体内摩擦角，（）；为 煤 体 的 极 限 强 度（即 支 承 压 力 峰 值），；为主应力表达式中的黏结应力，；为煤体的平均体积力，；为煤层埋深，。对于建新煤矿 工作面的实际工况，煤厚度为，埋藏深度 ，煤体的内摩擦角 ，黏聚力 ，取煤体的平均体积力 。将建新煤矿实际工况参数代入式（）中计算得煤柱的极限强度 。现场测得建新煤矿 工作面其他地质参数为煤层开采高度，.，.，将测得参数代入式（），可得到巷道侧煤柱边缘塑性区宽度 。沿空掘巷区段煤柱合理宽度计算区段煤柱的完整性受塑性区宽度的干扰较大，塑性区宽度越长，煤柱体易破坏，因此在设计宽度时需要将塑性区的最大情况计算进去，判定煤柱体的合理范围宽度计算公式见式（）。（）（）式中：为煤体采动影响因子，与顶板岩层完整性有关；为巷道侧煤柱边缘塑性区宽度，；为采空区侧煤柱边缘塑性区宽度，；为区段煤柱核心承载宽度，；由于煤层厚度较大，需要增加煤柱宽度的安全量，通常按照（）值的 进行运算。当煤体开采高度为、煤均厚度为 时，取.（），依据建新煤矿 工作面实际地质状况参数代入式（）中可得区段煤柱合理宽度 。数值模拟 模型建立 回采工作面是建新煤矿煤层的主采煤层，井下标高为 ，回采工作面东侧为 工作面，已回采完毕。根据表建立沿空掘巷数值模拟仿真试验模型（图），类似于图的数值计算模型从 网格组运用循环法开展相应的分割区分，在巷道附近产生发散，边界处网格宽度最大，区段煤柱和巷道处网格宽度为，边界处网格宽度为。在模拟过程中 国 矿 业第 卷中，锚杆及锚索采用植入式桁架单元，煤层及其他岩层采用实体单元。表岩层物理力学性质参数 岩层容重（）泊松比弹性模量 黏聚力 内摩擦角（）抗拉强度 上部砂岩 泥岩 基本顶 直接顶 煤层 底板 采空区 图数值计算模型 模拟结果分析上区段回采完毕的采空区侧区段煤柱开展相应的应力模拟工作，在确认具体的施工阶段过程中，对于采空区进行相关材质的充填处理，冒落稳定堆积可以将其看作连续体。顺着采空区的方向预置煤柱，后续区间也扩展，对于实际围岩应力变动的具体状况开展论述。对比煤柱边缘应力的具体参数，多种区间的煤柱体即 四类情形的塑性区变化开展分析（图）。由图可知，宽度的煤柱，顶板位置的下沉量显著超出其他宽度位置，最高变形量为 ，该数据近乎其他组别最大数值的倍。结合具体的变形特征可知，由于区段煤柱宽度指标相对较长，会造成顶板之上的岩梁臂出现断裂等问题，回转所带来的弯矩未能进行有效的卸载，没有产生垮落的煤层，可能会由于压力聚集进而造成破断，对于后续的工作面产生滑动下沉的变化，进一步增进相关顶板的下沉现象。结合图的变化曲线可知，巷道两侧位置的相对变形量数据超过了中间位置，围岩变形可能会造成应力重分布的现象，对承载区产生显著影响，实际宽度数据为，顶板变形量的实际参数在 之间，位置最低变形参数为 ，相对于 和 宽度而言，由于核心区可以较好地承载两侧断裂挤压所产生的变动，煤岩体转移到相应的塑性区，但没有出现破坏现象，边缘支撑实际位于降低区的位置，可以达到较为理想的泄压效果，也可大大节约煤炭资源。对巷道直接顶 区域内方向和方向应力进行分析，绘制不同宽度下掘巷顶板应力分布变化曲线如图和图所示。图区段煤柱不同宽度顶板下沉量变动 图不同煤柱宽顶板 区间的水平应力变化 图不同煤柱宽度下巷道顶板 范围内垂直应力变化曲线 由图和图可知，距巷道顶板 处的水平应力值最大，同一宽度下，水平应力先增加后降低，再缓慢增加，煤柱宽度为 时水平应力变化范围较大，通过观察、处水平应力可知，其变化范围大致在 ，平均应力值在第期赵腾飞，等：特厚煤层沿空掘巷煤柱塑性区宽度研究 趋于稳定，沿空掘巷开挖巷道受到采空区侧边缘应力影响和区段煤柱侧向水平挤压作用，对于巷帮的支护阻力要求很大，预留的煤柱宽度较小时，加快掘进速率，可大大降低水平应力的集中现象，对于顶板的支护管理有显著作用。煤柱宽度为 时，由于上覆岩梁体的破坏导致拱形结构变形，不能够提供稳定的承载结构，上部垮落的岩体块产生滑落下沉，对于垂直方向应力过大，距离顶板为 距离的垂直应力增加速率降低，顶板上部开采煤层厚度为 左右，垂直应力降低说明有效的支护形式和合理的煤柱宽度对综采放顶煤有一定的碎煤作用，观察、竖向压力范围是 ，距顶板 范围外竖直压力有所降低。结论）本文通过建立极限平衡区计算模型，针对建新煤矿 工作面地质参数计算得到采空区侧煤柱边缘塑性区宽度。）综合分析多种区段煤柱宽度，引发实际的应力变动以及重分布现象，对于煤柱核心区域的实际承载力出现显著转变，通常会产生常规预留的煤柱宽度过度增长的变化，因此而造成承载能力有一定程度的下降，煤柱之中会产生显著的应力叠加，内部则会有岩体遭到破坏，过宽的煤柱可能会造成挤压变形裂隙发育，下沉现象显著，大幅度提升人工投入，干涉到掘进效率。）研究边缘应力以及塑性区的相关分析数据，比较相关的模拟实验数据，可验证宽度，对类似场景的作业给予良好的借鉴。参考文献陈金国 不稳定围岩区段煤柱尺寸的确定 采矿与安全工程学报，（）：，（）：刘洋长壁留煤柱支撑法开采煤柱优化设计及破坏的可监测性研究西安科技大学学报，（）：，（）：张玉祥 巷道围岩稳定性识别模糊神经网络与模糊数学研究岩土工程学报，（）：，（）：张玉祥，王玉浚，陆士良，等巷道围岩非线性时空演变神经元网络预报模型 中国矿业大学学报，（）：，（）：陈忠辉，谢和平，林忠明 综放开采顶煤冒放性的损伤力学分析岩石力学与工程学报，（）：，（）：陈忠辉，谢和平，王家臣综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析 岩石力学与工程学报，（）：，（）：陈学伟，陈庆敏，金泰，等 鲍店矿综放面沿空巷道矿压控制矿山压力与顶板管理，（）：，（）：惠兴田，韦正范，苏培莉 自稳隐形拱的研究与应用 矿业安全与环保，（）：，（）：惠兴田，蒋志强高瓦斯易自燃厚煤层小煤柱开采研究煤炭技术，（）：，（）：谢俊文，许继宗，王亚峰，等 特厚软煤层综放工作面沿空送巷矿压显现规律研究 煤矿开采，（）：，（）：赵国贞厚松散层特厚煤层综放开采巷道围岩变形机理及控制研究徐州：中国矿业大学，种阳特厚煤层综放沿空掘巷煤柱留设宽度研究西安：西安科技大学，