ＩＳＳＮ １６７１—２９００ 采矿技术 第１３卷 第４期 ２Ｏ１３年７月 ＣＮ ４３—１３４７／ＴＤ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏ１．１３，Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ ２０１３ 孤岛工作面护巷煤柱稳定性分析 唐 水 （河南省新密市煤炭学校， 河南新密市４５２３７０） 摘 要：根据河南某矿３上、３ 煤开采形成的３１７０６、３１７０７孤岛工作面概况，结合理论分 析、ＵＤＥＣ软件数值模拟等手段，对孤岛工作面开采之后护巷煤柱应力的分布状况进行 了研究与模拟分析。结果表明，留设１６ ＩＴＩ护巷煤柱时，煤柱两侧均发生塑性破坏，但中 部存在弹性区，煤柱不会发生整体坍塌，但是由于破坏较严重，在回采工程中可对煤柱采 取注浆加固等措施，以保证煤柱的稳定性。 关键词：孤岛工作面；护巷煤柱；数值模拟；稳定性分析 １ 工作面概况 同，还有可能额外承受两侧或四面采空区形成的应 力叠加，使得引发冲击地压的概率增大，危险性增 河南某煤矿３ 煤的３１７０６、３１７０７工作面临近 加。所以，对孤岛工作面（煤柱）形成之后预留出的 该矿东部保护煤柱边界线。３１７０７工作面左邻 煤柱上方支承压力进行分析，可以有效地指导工程 ３１７０５工作面，该面于１９９９年６月回采完毕；右临 实践，并对预防冲击危险有很好的指导意义。 ３１７０９工作面，该面于２００１年３月回采完毕。 ３１７０６工作面左邻３１７０４工作面，该面于２００３年１ 月回采完毕；右临３１７０８工作面，二者之间有３Ｏ～ １３０ １２１煤柱，３１７０８工作面于２０００年９月开采完毕。 ３１７０６、３１７０７工作面属于３ 煤层，在其下部３０ ｍ 左右开采３下煤层的３２７０６、３２７０７工作面分别于 ２００３年１１月及２００４年８月回采完毕，故３１７０６、 ３１７０７工作面两侧均为采空区，形成孤岛工作面。 图１各工作面的相对位置 ３１７０６与３１７０７工作面内３ Ｅ煤层东高西低，厚 度稳定，平均厚度２．６２ ＩＴＩ，煤层结构简单，一般无夹 ２．１煤柱最大支承压力点计算 矸，煤层平均倾角ｌｌ。左右。３ Ｅ煤层顶板局部有伪 本文采用煤层法向应力集中系数对护巷煤柱的 顶，直接顶为砂质泥岩或泥质粉砂岩，老顶一般为 最大支承压力进行计算，计算公式为： 中、细粒砂岩，直接顶节理发育易垮落，属Ⅱ类顶板。 Ｋｌ 一０ （１） 直接底有０．１～０．２ ＩＴＩ的泥岩，老底为砂质泥岩、细 关于支承压力的求取可按下列公式计算： ～中砂岩，３ Ｅ与３下间距３２．１～４３．０ １ＴＩ，平均３６．１７ Ｋ１ 一Ｋ１０＋Ｋ１ （２） ｍ。３２７００开采３下煤层，３下煤层直接顶一般为中～ 式中：Ｋ 一仅由极限应力区内研究点的荷载引起 细粒砂岩，局部有泥岩、砂质泥岩，直接底有０．１～ 的应力集中系数； ０．２ １ＴＩ的泥岩，老底一般为粉～中砂岩。各工作面 Ｋ 一作用在底板上的外部荷载所形成的应力 相对位置如图１所示。 集中系数。 根据已有理论，可以求得Ｋ 。的值： ２ 护巷煤柱支承压力理论计算 一 一般情况下，煤层开采形成的孤岛工作面（煤 －ｆ ｚ ㈣ 柱）承受的主要压力有顶板压力、构造应力以及采动 式中：ｚ一从煤层边缘算起的坐标； 过程中形成的动压，由于孤岛工作面（煤柱）成因不 ｚ 一到最大支承压力点的距离（极限应力区宽 ６２ 采矿技术 ２０１３，１３（４） 度）。 ２ 若取线性关系式，ｏ（ｚ）一 一 一一 一号 ㈤ 式中： 。一煤层边缘处应力（ 。＜０，ｄ。≈一 …）； ｃｒ…一尺寸足够的试块强度极限（试验测定）。 故 一 』：拦如 即：√号Ｉ Ｋ Ｉ— ８ 一 （５） 解关于 的方程，得出最大点距离的公式： 一一ｌ『 ｌ ｌ Ｍ Ｉ Ｋ Ｉ Ｊ八 （ ）￣０．９６ｂ 『 Ｍ ｌ Ｋ ｉ］ｚ／３ｍ） （６） 式中：Ｐ—ｏ．５７ ・ Ｍ；，（Ｐ）一万１ 一 再 ］ 这里若Ｐ＜１０一，有： ｆ（Ｐ、≈１ ＝０．９６［ Ｍ Ｉ Ｋ ｌ故最大支承压力点距离和最大全应力 按下式 计算： ｚ 一Ｏ．９６ ｆ Ｍ Ｉ Ｋ Ｉ １ ２／３厂（Ｐ） （７） ，≈ ｍ ０－ｍａｘ铬 （８） 由以上理论分析可以看出，ｆ（Ｐ１的数值几乎 是不变的，甚至Ｐ变化数倍，，（Ｐ）依然为接近１ 的常数。由式（７）可知，对于同一地区的煤层，在其 煤质及煤厚一定的条件下，无论是到最大点的距离 还是到最大点处的应力，都大约与Ｋ； 成比例。 ２．２计算分析 以３１７０７工作面为例进行计算，煤柱尺寸１６ １ＴＩ，准备巷道宽３ ｍ，深度取Ｈ一４４０ ｍ（ｙＨ一１１．２ ＭＰａ）。回采工作面宽１４０ ｍ。煤试块强度极限 ＝１０ ＭＰａ。煤层厚度Ｍ一２．２ ＩＴＩ。分析煤柱上 的应力及分布状态，如图２所示。 （１）巷道侧附近的支承压力 ａ１—３ ，２ｘ 一口１＋Ｌ ＋ａ２—１５９ Ｉｎ， ａ ／（２ｘ ）一３／１５９￣一０．０１９，Ｌ／２ｘ 一１６／１５９—０．１ ａｉｍ巷道宽度 —媒糕觅厦 一回采工作面宽度（采空区） 图２煤柱支承压力分布图 根据Ｋ 一一７Ｈ厕 其中， ｚ值可由经验值给出： ｚ一０．３９。 故Ｋ 一一１１．２× 万×０．３９ 一一２７．５ ＭＰａ・ｍ ／ Ｐ＝０．５７ ・Ｍ 一ｏ．ｓ７×丽１０ｚ× 一０．００９７ ｆ（Ｐ）一万１ 而一沥而］ ≈０．７５ 则 一Ｏ－９６［ Ｍ １ １４ ｉ］ｚ／３厂（Ｐ）一０．９６× ［ ．ｓ× ×ｏ．７ｓ＝１．６８ ｍ ｄ≈≈ 一 ｍａｘ ２ｘ ｌ 一 一一一一１０—一１０× × 一一２２．９２ ＭＰａ （２）采空区侧附近的支承压力 ｎ２／（２ｘ ）一１００／１５９—０．８８，Ｌ／２ｘ 一１５／１５９ —０．１ ｚ值可由经验值给出： ｚ一１．６２。 故Ｋ１一一１１．２× 丽×１．６２ 一一１１４．３９ＭＰａ・ ／ Ｐ＝０．５７ ・Ｍ －ｏ．５７× × 一０．０００５６ ，（Ｐ）一击 而一沥而］ ≈０．８９ 则一 一ｏ．。６× ４．３９× Ｘ ０．８９ —５．１６ｍ ２Ｘｌ≈ －ＯＯ－ｍａｘ一＇ｍａｘ Ｍ 一１０—１一０× ×■ 一一４９．６９ ＭＰａ【０，１】 综上分析，煤柱上有两个最大支承压力：较小的 支承压力（２２．９２ ＭＰａ）距巷道侧１．６８ ｒｌｌ，较大的支 承压力（４９．６９ ＭＰａ）距采空区侧５．１６ ｍ。 唐 永： 孤岛工作面护巷煤柱稳定性分析 ６３ 由图２及计算结果可知：护巷煤柱的应力分布 将数值计算模型的建立视为二维问题解决。根 据３１７０６、３１７０７工作面地质概况建立平面力学模 型，模型长高为５５０ ｍ×１７０ ｍ、５００ ｍ×１７０ ｍ，其 中３上煤层采高均为２．６ ｍ。数值模型如图１所示。 ３．２边界条件及力学参数的选取 状态先后经历上升段（到强度极限）、下降段和水平 段，且两个最大支承压力中间存着应力降低区。因 此，极限应力区尺寸为１．６８＋５．１６—６．８４ ｍ，倘若 煤柱比这个尺寸小，那么将被压坏。当煤柱上极限 应力区尺寸超过煤柱宽度时，煤柱就完全处于极限 应力状态。 模拟孤岛工作面的两侧水平方向固定，垂直方 向为自由边界。为了计算方便，将性质较为相似的 顶板上覆岩层视为一层。各岩层物理及节理力学参 数如表１和表２所示。采用莫尔一库仑本构模型对 煤柱稳定性进行分析。 由计算结果可知，工作面留设１６ １３３护巷煤柱， 大于极限应力区的尺寸，工作面上、下顺槽位于应力 降低区内，煤柱不会完全坍塌。 ３ 煤柱稳定性数值模拟分析 ３．１模型的建立 ３．２．１ ３１７０６工作面模拟 模拟所取剖面处３１７０６工作面与３１７０４工作面 之间的煤柱为１６ ｍ，与３１７０８工作面之间的煤柱为 表１煤岩物理力学参数 上覆岩层 ３ 直接顶３ 直接底煤层１Ｏ ０．０３ ０．０６ ０．４ １０ ０．０３ ０．０６ ０．４ 中间区域３＿Ｆ老顶３Ｔ底板 ０．０８ ０．１ １Ｏ ０．０８ ０．１ １Ｏ ８０ ｍ。下部３２７０６工作面与３２７０４工作面之间的煤 １５Ｏ，ｌＯ０，ｌ１０ １＂Ｉ１。 柱为６２ｍ，３１７０６与３２７０６上下和右侧都以边界保 护煤柱线为界，右侧上下基本对正。剖面处３１７０４、 ３１７０６、３１７０８、３２７０４、３２７０６工作面采宽分别为１４０， ８４，１５０，１ＯＯ，１１０ ｍ。 模型计算平衡后进行开挖，开挖方案为分布开 挖，即先进行３１７０５、３１７０９工作面回采，二次平衡 后，再开挖底部３２７０３、３２７０５、３２７０７工作面，三次平 衡后，最后开挖３１７０７工作面。 ３．３模拟结果分析 模型计算平衡后进行开挖，开挖方案为分布开 挖，即先进行３１７０４、３１７０８工作面回采，二次平衡 （１）工作面回采过程中，不同开采阶段顶板压 力分布曲线见图３和图４。 由图３、图４可知，３１７０６工作面两侧采空时，左 侧煤壁的应力峰值为２１．９ ＭＰａ，峰值位置深部煤壁 的距离为１０ ｍ，底部开采后左侧煤壁应力峰值降为 １６．７１ ＭＰａ，右侧煤壁处于应力升高区，应力峰值增 后，再开挖底部３２７０４、３２７０６工作面，三次平衡后， 最后开挖３１７０６工作面。 ３．２．２ ３１７０７工作面模拟 模拟所取剖面处３１７０７工作面与３１７０５、３１７０９ 工作面间隔１６ ｍ的煤柱。下部３２７０３、３２７０５、 ３２７０７工作面间隔约８ Ｉｌ１．的煤柱，３１７０７右侧以边 界保护煤柱线为界。剖面处３１７０５、３１７０７、３１７０９、 ３２７０３、３２７０５、３２７０７工作面采宽分别为１４０，８４， 大，煤壁处达到１９．７ ＭＰａ，３１７０７工作面两侧采空 时，两侧煤壁的应力峰值分别为２１．３２，２１．５１ ＭＰａ， 峰值深入煤壁处约１２ ＩＩ１，底部采空后，煤壁侧应力 ６４ 擘菩∞器怛姗啪 采矿技术 Ｈ 《 ∞Ｒ越嘲啪 明显降低，分别降为１４．３１，１Ｏ．１６ ＭＰａ。 ＾．／ ｌ，ｏｂ啊馕ｌ米 —＿一— ～ — ．衙± －ｈ ｜Ｆ ｔ、 ， ， ｆ 。●， ｌ 、 Ｊ．， ｌ、－一一一 Ｒ１７ 蘸ＪＩ嘲话席軎ｌ【勰ｌ霉奉 ！ ■ ．ｉ 一 ’ 工作面范围／ｍ 图３ ３１７０６工作面开采应力对比图 ２１．３２ ＭＰａ ／３１７０７￣ ＾一 ／ 一ｎ ＿ 愿岩应力 ｒ ＼３ｌ７０７两侧及底部采空 ｉＬ 口 工作面琵围／Ｉｎ ‘ 图４ ３１７０７工作面开采应力对比图 （２）３１７０６、３１７０７工作面回采结束后，护巷煤 柱塑性区分布见图５，两工作面均留设１６ １ＴＩ护巷煤 柱，掘进上下顺槽。从图５（ａ）中可以看出，３１７０６工 作面护巷煤柱老空区侧塑性区宽度为６．５ ＩＴｌ，工作 面两侧为５．８和５．６ １ＴＩ，煤柱中存在弹性区，宽度为 ３．７ １ＴＩ。从图５（ｂ）可以看出，３１７０７工作面护巷煤 柱临两侧老空区的塑性区宽度为６．７ ｍ，工作面两 侧为５．８ ＩＴ１和６．１ ｉｎ，煤柱中也存在弹性区，宽度分 别为３．５ ｍ和３．２ ｒｆｌ。开采后煤柱两侧均受到塑性 破坏，煤柱中存在弹性区，表明煤柱没有完全坍塌， 但煤柱破坏严重，在回采工程中可对煤柱采取注浆 加固等措施，保证煤柱的稳定性，防止上下工作面老 空区的水涌人回采工作面内。 ４ 结 论 （１）采用煤层法向应力集中系数对护巷煤柱的 最大支承压力进行计算。以３１７０７工作面为例计算 了护巷煤柱最大支承压力点，得出了极限应力分别 为２２．９２ ＭＰａ和４９．６９ ＭＰａ，极限应力区的尺寸为 ６．８４ ｍ。 ・ （２）护巷煤柱稳定性数值模拟结果表明，留设 １６ ｍ护巷煤柱时，煤柱两侧均发生塑性破坏，但中 部存在弹性区，煤柱不会发生整体坍塌，但是由于破 坏较严重，在回采工程中可对煤柱采取注浆加固等 措施，保证煤柱的稳定性，防止上下工作面老空区的 水涌入回采工作面内。 （ａ）３１７０６工作面 （ｂ）３１７０７工作箍 图５护巷煤柱塑性区分布 参考文献： ［１］汪理全，李中顽．煤层群上行开采技术［Ｍ］。北京：煤炭工业出 版社，１９９５． Ｅ２］李东印，任耀，姜敏．ＭＳＤＦＶＳ系统在开采沉陷预测中的 应用ＥＪ］．煤矿安全，２０１２，４３（７）：１１３—１１５． １３］ 石永奎，莫 技．深井近距离煤层上行开采巷道应力数值分析 ［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００７，２４（４）：４７３—４７５． Ｅ４３ 孙广元，王元龙．采用上行开采改善煤层复合板的控制ＥＪ］．煤 炭科学技术，２００４，３２（５）：１５—１８． Ｅ５３冯国瑞，闫旭，王鲜霞等．上行开采层间岩层控制的关键位 置判定ＥＪ］．岩石力学与工程学报。２００９，２８（２）：３７２１—３７２５． １６］刘宗亮，涂敏，彭永贵等．孤岛工作面围岩巷道变形观测分析 －ＩＪ－Ｉ．煤矿开采，２０１１，１６（５）：８３—８５． ＥＴ］ 丁锋，李 帅．新集一矿孤岛工作面开采技术实践［Ｊ］．煤炭 技术，２００９，２８（６）：５９—６１． Ｅ８］王同旭，刘传孝，王小平．孤岛工作面侧向支承压力分布的数 值模拟与雷达探测研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２１ （２）：２４８４—２４８７． （收稿日期：２Ｏ１３－０３－２８） 作者简介：唐永（１９８８一），男，河南濮阳范县人，从事煤炭 开采专业教学工作，Ｅｍａｉｌ：ｒｅｎｙａｏ０２１６＠１６３．ｃｏｒｎ。