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大采高綜放面采動影響下合理區(qū)段煤柱寬度研究

文檔作者：張云杰文檔來源：大同煤礦集團公司通風處			點擊數(shù)：
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煤礦現(xiàn)代化 2014年第5期 總第122期
大采高綜放面采動影響下合理區(qū)段煤柱寬度研究
張云杰
(大同煤礦集團公司通風處，山西大同037000)
摘要大采高綜放工作面由于生產(chǎn)需要，形成了一類超高煤幫、特大斷面的巷道，增加量巷道支護
的難度。留設合理寬度的區(qū)段煤柱，能夠使巷道處于應力降低區(qū)內，避開殘存支承壓力頂峰的影響，有
效改善巷道圍巖的應力環(huán)境，降低支護難度、增強巷道的安全可靠性，還能夠一定程度提高資源的回
收率。本文以塔山礦8105工作面5105回風巷道區(qū)段保護煤柱為例，應用極限平衡理論計算得到合理
的煤柱尺寸為34m，采用FLAC5．0數(shù)值模擬軟件模擬分析了不同護巷煤柱寬度煤柱內的垂直應力分
布和巷道變形破壞情況。通過理論分析與數(shù)值計算相結合，最終確定留設煤柱寬度為34m。
關鍵詞煤柱留設；數(shù)值模擬；FLAC5．0；煤柱寬度；塔山礦
中圖分類號：TD823．5 文獻標志碼：B 文章編號：1009—0797(2014)05—0030—03
隨著我國煤礦開采強度與規(guī)模的增加，大采高綜
放因其高資源回收率和低含矸率成為特厚煤層開采的
首選采煤方法l1】。大采高綜采工作面的巷道，必須滿足
運輸、安裝、檢修、通風、行人等要求，因此形成了一類
超高煤幫、特大斷面的巷道。巷道斷面的擴大惡化了圍
巖的應力環(huán)境，增加了此類巷道支護的難度團。
生產(chǎn)過程中，工作面回采在采后掘進的巷道周
圍煤體上形成應力升高區(qū)和降低區(qū)，改變了未受回
采影響的煤體內開掘巷道的原始應力狀態(tài)，使巷道
在掘進過程中圍巖應力的分布、塑性區(qū)的大小和周
邊位移產(chǎn)生較大差異。若巷道距采空區(qū)保留較寬的
煤柱，就能夠避開殘存支承壓力頂峰的影響，減小掘
進過程中的圍巖變形較小。若留設煤柱較窄，巷道處
于殘存支承壓力頂峰之下，則掘進過程中仍會引起
圍巖的劇烈變形，遭到嚴重破壞的窄煤柱，還會引起
圍巖變形持續(xù)發(fā)展l 3l。
因此，留設合理的區(qū)段煤柱對于巷道圍巖穩(wěn)定
發(fā)揮著重要作用。合理的煤柱寬度，不僅能夠使巷道
處于應力降低區(qū)內，避開殘存支承壓力頂峰的影響，
有效改善巷道圍巖的應力環(huán)境，減小巷道圍巖的變
形與破壞，降低支護難度、增強巷道的安全可靠性，
還能夠一定程度提高資源的回收率。
l 地質工程概況
同煤集團塔山煤礦是一座年產(chǎn)千萬噸級的礦井。
該礦8 105工作面為大采高綜放開采工作面，位于井
田一盤區(qū)中部，東南鄰8104工作面，南接1070回風
巷，連通1070皮帶巷、輔運巷，西北鄰8106工作面未
開掘。工作面傾向長度207m，走向長度2800m。工作
面主采煤層為3—5號煤層。煤層總厚1 1．93～16．13m，
平均厚15．72m。煤層層位穩(wěn)定，厚度大，是井田內主要
可采煤層之一，但其結構復雜。夾石層8～11層，夾矸
· 30 ·
厚度0．2～0．3m。頂板為炭質泥巖，高嶺質泥巖和粉砂
巖。底板為高嶺質泥巖，碎屑高嶺巖和粉砂巖。
該工作面5105回風巷掘進時，相鄰的8104工
作面正在回采，將會遇到三種情況：一是在8104工
作面未采段先掘5105巷。在這種情況下回風巷要經(jīng)
歷掘進影響、8104工作面整個回采全過程，還要經(jīng)歷
本工作面回采超前壓力影響；二是在8104采煤工作
面附近，巷道要經(jīng)歷掘進、鄰近工作面回采雙重疊加
應力的影響；三是在8104工作面后方采動影響基本
穩(wěn)定的采空區(qū)域掘進巷道。因此，必須留設合理的區(qū)
段保護煤柱，以保證5105回風巷道支護的有效。
2 理論計算確定煤柱寬度
在距離煤體邊緣的一定寬度內，存在著煤體的
承載能力和支承壓力處于極限平衡狀態(tài)。利用極限
平衡理論，計算煤柱極限平衡區(qū)的寬度41為：
、，
x= mA hJ} —D(1÷+p)主 H + Jf
l tan o J
式中：x為煤柱極限平衡區(qū)的寬度；1TI為高度；H為平
均采深； 為煤層的內摩擦角； 為巖層的平均容
重；A為測壓系數(shù)；p為采區(qū)采出率；D為損傷因子。
為了保證煤柱在回采過程中的穩(wěn)定，煤柱內要
存在一定的核區(qū)率，回采過程煤柱兩側均存在極限
平衡區(qū)，因此有：
2x<(1一 )B
式中： 為煤柱核區(qū)率；B為煤柱設計寬度。
因此，可以得到：
B> Inl I
I tan 0 『

煤礦現(xiàn)代化 2014年第5期 總第122期
較小，約2．5m。
(3)當煤柱寬度增加到30m時，兩側巷道開挖所
引起的塑性屈服相互獨立，煤柱中間存在大范圍的
彈性區(qū)域，核心穩(wěn)定范圍較煤柱尺寸為20m時大大
增加，為15m，對于煤柱兩側巷道的穩(wěn)定非常有利。
(4)煤柱寬度增加到40m時，兩側巷道開挖所引
起的塑性屈服相互獨立，煤柱中間存在大范圍的彈
性區(qū)域，核心穩(wěn)定范圍為25rn。
由以上分析可知，當煤柱尺寸大于30m時，兩側
巷道開挖擾動不再疊加，繼續(xù)增加煤柱尺寸對保持
巷道的穩(wěn)定性作用不大。即留設煤柱的寬度存在一
個臨界值，超過臨界值穩(wěn)定時穩(wěn)定性保持穩(wěn)定，但會
降低資源的回收率。
綜上，考慮模擬條件和地質條件的變化，在動壓
影響條件下，留設護巷煤柱寬度應不小于30m，與理
論計算的值相吻合。
4 結論
率，最終確定合理的區(qū)段護巷煤柱寬度為34m。
(2)合理煤柱寬度的確定可以為塔山礦同類條
件下煤柱寬度的留設提供理論支持和技術參考。合
理的煤柱寬度，有利于巷道圍巖的穩(wěn)定，更能減小煤
炭資源損失，提升資源的回收率。
參考文獻：
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民交通出版社．2005．
(1)根據(jù)塔山礦的地質資料，通過FLAC5．0數(shù)值 作者簡介：
模擬分析了護巷煤柱寬度為10m，20m，30m和40m 張云杰，(1987一)，男，漢族，大同煤礦集團公司通風處，
條件下煤柱垂直應力分布和塑性區(qū)分布特點，結合 助理工程師，本科學士學位，煤礦通風與安全。
理論計算結果，考慮到回采安全，兼顧煤炭資源回收 (收稿日期：2014—8—8)
The Research of Reasonable Section W idth of Coal Pillar Under the Influence
of Big Fully M echanized Top-coal Caving In Ta-Shan M ine
Considering the production needs，full—mechanized caving mining face form a kind of high coal pillar and heavy section roadway，which in—
crease the dificulty of roadway support．Reasonable section width of coal pillar can make the roadway avoid the influence of the remaining
abutment pressure peak，efeetiveiy improve the stress environment of the surrounding rock．enhance the safety and reliability of the roadway
support，and also can improve the recovery rate of resources．Based on Ta—Shan mine 8105 working face 5105 roadway protection coal pillar．
apply the theory of limit equilibrium calculation for reasonable size of coal pillar．The result is m．Use the FLAC5．0 numerical simulation soft—
ware analysis the vertical stress dism bution and deformation of roadway surrounding rock of the different width coal pillars．Through the COUl—
bination of theoretical analysis and numerical calculation，the reasonable section width of coal pillar is 34 m．
(上接第29頁)
(3)對頂板起到主動支撐作用的構件是錨索支
護，限制了巖體有害變形的趨勢，彌補了架棚支護等
頂板離層支撐作用的不足，對于斷層通道掘進的安
全性大大提高。
(4)由于工程在回采時，對于工字鋼架棚進行回
收，這時可能面臨的一些不安全因素也很容易得到
解決。
5 結語
在2012年12月初，$3012工作面機、風巷應用
該項聯(lián)合支護技術后，斷層通道圍巖狀態(tài)得到了改
善，提高了斷層通道的圍巖整體性和斷層通道斷面
利用率，它對于減少后期井巷工程的整治維護工程
量、安全過巷。提升企業(yè)經(jīng)濟效益，都有著非常重要
· 32 ·
的意義。
參考文獻：
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術，2010．
『4]石偉，孫德林，鄒德蘊．深井軟巖斷層通道圍巖二次支護技
術 】．礦山壓力與頂板管理，2003(1)：28—29．
作者簡介：
姜新剛，男，1963年12月出生，1982年8月畢業(yè)于山西
省地方煤礦學校礦建專業(yè)。 (收稿日期：2014—8—1)

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