岩石力学与工程学报-终稿-非充分采动采空区与煤岩柱(体)耦合作用机制及应用

第 36 卷 第 5 期 2017 年 5 月岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringVol.36 No.5 May，2017非充分采动采空区与煤岩柱(体)耦合作用 机制及应用王朋飞 1 2，赵景礼 1，王志强 1，孙中文 1，徐春虎 1，宋梓瑜 1，苏 越 1，(1. 中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京100083；2. 南伊利诺伊大学卡本戴尔校区 采矿与矿物工程学院，伊利诺伊州 卡本戴尔 62901)摘要：以镇城底矿为工程背景，通过理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测，研究了非充分采动采空区和煤 岩柱(体)耦合作用机制。

得出如下结论：(1) 不同的工作面布置产生不同的工作面构型、采空区形态和煤岩柱(体) 形态，进而造成不同的耦合作用结果，采空区响应对实体煤岩柱(体)的应力及岩体破坏影响很大，数值模拟不可 忽略采空区作用；(2) 推导出煤柱极限平衡区宽度表达式，分层开采单一分层时采高降低、大采高和错层位开采 存在斜坡均导致煤柱极限平衡区宽度下降；(3) 垮落角对采空区和煤岩柱(体)耦合作用有重要影响，通过相似模拟 确定了垮落角并用于数值模拟，得出非充分采动条件下工作面宽度 L、最上部关键层跨度 L1 与垮落角 θ 之间的关 系式；(4) 数值模拟显示非充分采动采空区承载增加，则支承压力相应降低，反之亦然，验证了非充分采动采空 区和煤岩柱(体)的耦合作用，数值模拟若忽略采空区承载作用会造成支承压力偏大，应力集中区高度偏大，且位 置降低，岩体破坏范围偏大；(5) 根据研究结果，现场将进风巷布置于采空区边缘下方，形成巷顶沿空巷道，该 巷道处于整个回采系统应力最低区；而回风巷沿顶板布置，工作面两侧顺槽矿压问题均得到良好控制。

关键词：采矿工程；非充分采动；耦合作用；采空区；数值模拟；支承压力；煤岩柱(体) 中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2017)05–1185–16Mechanism of gob-pillar interaction for subcritical panels and its applicationWANG Pengfei1 2，ZHAO Jingli1，WANG Zhiqiang1，SUN Zhongwen1，XU Chunhu1，SONG Ziyu1，SU Yue1，(1. School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China； 2. Mining and Mineral Resources Engineering，Southern Illinois University，Carbondale，Illinois 62901，United States)Abstract：Mechanism of gob-pillar interaction for subcritical panels was studied against Zhenchengdi coal mine through theoretical analysis，physical modelling，numerical modelling and field observation. Different panel layouts were found to lead to the different shapes of panel and coal pillar. The gob behavior has the significant influence on the stress distribution and failure of the coal pillar which should not be ignored in the numerical modelling. The width of limit equilibrium zone of coal pillar is derived. When a slice of multiple longwall slices of a coal seam is being mined，the mining height is reduced leading to the reduction of the width of the limit equilibrium zone，and so are the high seam longwall mining and split-level longwall mining(SLM) due to their elevating section. The angle of break plays an important role in gob-pillar interaction. The angles of break were收稿日期：2016–08–25；修回日期：2016–12–19 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(51404270)；国家留学基金委资助项目(201506430011) Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 51404270) and China Scholarship Council(Grant No. 201506430011) 作者简介：王朋飞(1988–)，男，2012 年毕业于呼伦贝尔学院采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事矿山压力与岩石力学交叉领域方面的研究工 作。

E-mail：shengshikuangdaren@ DOI：10.13722/ki.jrme.2016.1105• 1186 •岩石力学与工程学报2017 年obtained and were used for numerical modelling. An expression for the panel width L，the span of the uppermost key stratum L1 and the angle of break θ is obtained. The numerical modelling shows that the more load the gob bears， the less the abutment pressure and vice versa， which is the result of the gob-pillar interaction for subcritical panels. The abutment pressure，stress concentration factor and failure zone were larger and the elevation of failure zone was lower if the influence of gob was not taken into account. According to the mechanism of gob-pillar interaction for subcritical panels， the air intake way was set under the gob edge(with roof along the gob rather than rib) in the least stressed zone in the entire panel system， and the air exit way was arranged along the roof， as such， the ground control problems for both gate roads are solved. Key words：mining engineering；subcritical panel；interaction；gob；numerical modelling；abutment pressure； coal and rock pillar(mass) 对采空区材料和发展特征进行了大量研究。

刘长友1引言等 [20] 对超长孤岛综放工作面支承压力分布规律进 行了 FLAC3D 数值模拟研究，但数值模拟中采空区 作用仍未考虑。

成云海等[21]通过现场实测研究了特 厚 煤 层 综 放 开 采 采 空 区 侧 向 矿 压 特 征 。

G. S. Esterhuizen 和 C. Ö. Karacan[22]指出采空区垮落矸石 碎胀性由垮落高度及矸石尺寸、块度和形状决定， 碎胀系数自下而上减小。

还有学者对各状态下的破 碎矸石压实特性进行了试验研究[23-26]，均得出矸石 压缩应力–应变曲线呈指数增长趋势。

其中以 D. M. Pappas 和 C. Mark[26]最具代表和权威性，得到广泛 认可和应用，并得出 Salamon 经验公式较符合矸石压 实特性。

Salamon 经验公式[26]为 E0ε σ= 1 − ε / εm (1)长壁开采为我国主要采煤方法，区段煤柱主要 用来隔离采空区和保证区段巷道的稳定性等[1-2]。

煤 柱及其上方岩柱体形成的煤岩柱尺寸、形态和稳定 性，直接决定着相邻区段巷道及采场矿压的显现规 律，对矿井安全具有重要作用。

张广超等[3-10]对煤岩柱留设和稳定性进行了相关研究，取得一定成果。

但这些研究中数值模拟采空区均直接赋予空模型， 即采空区矸石不起任何承载作用，而这与实际不符。

采空区与煤岩柱(体)作为采场 2 个特征分明但对立 统一的子系统，必然相互作用和影响。

白庆生等 作用。

采空区响应非常复杂，许多地面工程需要确定 采空区响应。

童立元等[12] [11]指出，数值模拟不可忽略垮落带矸石对岩层的支撑式中：σ为加载于材料上的轴向压力(MPa)，ε为在 该压力下的应变(m/m)，E0 为初始切线模量(MPa)，指出老采空区的地面工程需确定采空区封闭状态、沉降程度等，提出采取强 制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，沉陷基 本稳定后再开发利用土地。

胡海峰等[13]对煤矿采空 区特征、延续时间与残余变形规律进行了相关研究。

许多地下工程位于采空区或其附近，同样涉及采空 区响应，如分层开采中在上分层采空区下方布置下 分层区段巷道、沿空留巷、沿空掘巷及错层位开采 技术[14-19]等。