回采巷道煤柱合理尺寸的研究

大采高工作面合理煤柱尺寸留设研究乔树培\马赛2，王治东3(1.山西晋城煤业集团寺河矿，山西晋城048006; 2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西晋城048006;3.中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿，山西朔州036002)摘要：针对寺河矿采掘衔接紧张、采区煤柱损失大的问题，通过数值模拟、煤柱受力分析及煤柱强度测 试，开展了大采高工作面合理煤柱尺寸留设研究，结果表明：煤柱宽为35 m时，巷道围岩变形量小，受压小，为较合理的煤柱尺寸；对煤柱强度进行测试可得，W13012巷和W13013巷之间煤柱煤体强度值 大部分集中在10 ~20 MPa,煤体强度平均为16.05 MPa,煤体中等硬度，煤柱浅部强度值普遍小于深 部强度值；对煤柱受力进行分析，在受超前压力影响期间，距巷道表面较近的煤体逐渐被压裂破坏，而经过煤柱的峰值点后，煤柱在受超前压力期间和滞后压力期间受力基本恒定，煤柱应力只有一个峰值 且峰值位置右侧1m范围内应力均达到自身极大值，说明在此支护强度下此煤柱宽度的4倍宽度是 极限的煤柱宽度。

关键词：合理煤柱尺寸留设；数值模拟；煤柱强度；煤柱受力；大采高工作面中图分类号：TD823.6 文献标志码：A 文章编号：1003 - 0506 (2016 ) 12 - 0073 - 05Research on rational coal-pillar dimension preserving onworking face with large mining heightQiao Shupei1，Ma Sai2,Wang Zhidong3(1. Sihe Mine of Shanxi Jincheng Coal Group ,Jincheng048006 , China；2. Jincheng Anthracite Mining Group Technology Research Institute C o.，L td.，Jincheng048006 , China；3. Anjialing Open-pit Mine of China Coal Pingshuo Group C o.，L td.，Shuozhou036002 , China)A b stract：In view of the mining cohesion tension in Sihe Coal M ine,and mining area coal pillar loss is big,through numerical simula­tion, the stress analysis of coal pillar and the coal pillar strength test, the authors have studied the rational coal-pillar dimension on large-mining-height face, the results indicate ： when the size of coal pillar is 35 m,the deformation of roadway surrounding rock and pres­sure are sm all,it is a more reasonable size of coal pillar. It gets that the strength between W13012 and W13013 lane pillars is mostly in 10 〜20 MPa through testing the strength of coal pillar. The average strength is 16. 05 M Pa, coal’s hardness is moderate, and the shallow coal pillar strength value is less than deep intensity value. Analyzing the stress distribution of coal pillar during the period of affected by stress in advance, it shows that, the coal close to the roadway^ surface is gradually destroyed, and after the peak point of coal pillar, the pillar^ pressure is basically constant when it bears advance pressure and lag pressure, the coal pilar7 s stress has only one peak value, and this peak value exist in the range of 1 meter in the right side where it occurs,it was shown that 4 times of coal pillar^ width is the limit width of coal pillar.Keywords：reasonable dimension of coal pillar；numerical simulation；coal pillar^ strength；pressure of coal pillar；large-mining-height face〇引言煤柱尺寸留设是关系到煤矿地下和地面安全、采出率的重要瓶颈[1~。

煤炭资源开采区段煤柱尺寸数值模拟研究
随着我国煤炭资源开采的不断深入，地下矿井深度不断加深，煤柱尺寸变化越来越复杂，因此如何准确预测煤柱尺寸，保证煤炭资源开采的安全高效进行已成为当前煤炭开采
的难点问题。

本文通过数值模拟的方法，对不同的煤柱尺寸下采煤序列进行模拟，并进行
煤柱高度、宽度、长度等参数的计算和分析，为煤炭开采的科学规划提供参考。

本文采用煤柱尺寸数值模拟研究的方法，即首先利用模拟软件模拟不同煤柱尺寸下的
采煤过程。

其中，我们将样本矿井进行了简化，并假设矿井地质结构、煤层倾角等参数均
相同，仅仅改变了煤柱的初始尺寸，以便更好的说明煤柱尺寸对下采煤序列、煤柱高度、
宽度、长度等参数的影响。

在数值模拟中，我们分别设置了3种煤柱尺寸，分别是10m、15m、20m，采煤序列分
别按照上中下分层依次采出，分别记为1、2、3层。

在每层煤柱的基础上，设置了不同的
采煤累进率，分别为30%、40%、50%。

在模拟时，我们按照设定好的采煤顺序和累进率，
模拟了不同煤柱尺寸下的采煤过程，并记录下每个采煤参数的数值。

模拟结果表明，煤柱尺寸对下采煤序列、采煤参数等具有较大影响。

当煤柱尺寸为
10m时，采煤高度多为2~3m，采煤宽度多为2m左右，采煤长度多为30~40m；当煤柱尺寸
为15m时，采煤高度多为3~4m，采煤宽度多为3m左右，采煤长度多为45~60m；而当煤柱
尺寸为20m时，采煤高度多为4~5m，采煤宽度多为4m左右，采煤长度多为60~80m。

另外，不同采煤序列和累进率下，煤柱高度、宽度、长度等参数也有所不同。

第12期㊀山西焦煤科技㊀No.122020年12月㊀㊀Shanxi Coking Coal Science &Technology㊀㊀Dec.2020㊀㊃技术经验㊃㊀㊀收稿日期:2020-11-15作者简介:张文豪(1971 ),男,山西平遥人,1993年毕业于阳泉煤炭专科学校,高级工程师,主要从事采矿技术研究与管理工作(E-maiL)zwh_567@沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定张文豪(西山煤电集团技术中心,山西㊀太原㊀030053)㊀㊀摘㊀要㊀以某矿B3103工作面回风顺槽煤柱宽度为研究对象,通过理论分析确定沿空掘巷理论煤柱宽度,建立FLAC3D 沿空掘巷数值计算模型,分析侧向支承应力演化规律,在此基础上对比了不同煤柱宽度沿空掘巷应力分布特征,确定了合理煤柱宽度为6m ,提出了合理支护参数㊂现场工业性试验表明,B3103工作面回风顺槽变形量在预计范围内,验证了煤柱宽度及支护参数的合理性㊂关键词㊀沿空掘巷;煤柱宽度;支护参数;巷道变形量中图分类号:TD353㊀文献标识码:B㊀文章编号:1672-0652(2020)12-0020-04㊀㊀为了提高煤炭资源的开采效率,窄煤柱沿空掘巷技术被广泛使用,煤柱宽度及沿空掘巷支护参数影响沿空掘巷掘进期间及回采期间围岩稳定[1-2].国内外对护巷煤柱宽度的留设进行了大量的研究㊂郭重托[3]借助现场实测㊁数值模拟等手段,分析了不同煤柱宽度2302工作面回风巷围岩承载演化规律,确定了合理窄煤柱宽度为6.0m.李季等[4]以主应力差为研究切入点,利用理论计算及数值模拟等研究方法,研究了深部回采工作面侧向采动应力场主应力差分布特征和不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩主应力差分布规律,提出了以主应力差分布规律为依据的深部沿空掘巷煤柱设计思路㊂柏建彪等[5]通过数值模拟计算分析,研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度㊁煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系,提出了合理的窄煤柱宽度㊂1㊀工程地质概况某矿B3103回风顺槽一侧为B3102工作面采空区,2017年8月回采完毕,3#煤层厚度平均4.8m,煤层埋深250m 左右,直接顶为6.0m 泥岩,基本顶为7.0m 石灰岩,直接底为3.0m 粉砂岩,基本底为6.0m 泥岩,B3103工作面长度为1500m,切眼长度200m,B3103回风顺槽沿顶板掘进,采掘工程平面示意图见图1.图1㊀B3103工作面采掘工程平面示意图2㊀沿空掘巷窄煤柱宽度理论计算极限平衡理论计算模型见图2,极限平衡理论塑性区扩展深度x 1表达式为:x 1=0.5βk 1γHM cos α[0.5(β+1)sin φ0k 1γH cos α+c cos φ0]2-1-β2k 1γH cos α()2式中:k 1一垂直应力集中系数,取2;H 煤层埋深,m,取250;㊀㊀γ 顶板岩石平均容重,kN /m 3,取25;M 煤层厚度,m,取4.8;β 临界塑性区侧压系数,β=μ/(1-μ),μ为泊松㊀比,取0.2,则β=0.25;φ0 煤体内摩擦角,(ʎ),取35;α 煤层倾角,(ʎ),取3;c 煤体黏聚力,MPa,取1.25.图2㊀极限平衡理论计算模型图将相关参数代入上式得:x 1=2.08m窄煤柱理论宽度计算公式为:B =x 1+x 2+x 3式中:x 1 塑性区宽度,m;㊀㊀x 2 帮部锚杆有效长度,m,回风顺槽锚杆长度为2000mm,考虑锚杆外露,此处有效长度取1.8;x 3 稳定性系数,考虑现场因素需要增大的稳定性系数,x 3=0.2(x 1+x 2).计算得到:B =x 1+x 2+x 3ȡ4.656m3　沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟以B3103工作面地质概况为研究对象建立模型,模型共7层㊂巷道尺寸为4.7m ˑ3.6m,沿顶板掘进,其数值计算模型见图3.模型的尺寸为300m ˑ120m ˑ47.5m,模型的上部边界施加与等量的上覆岩层的重量,模型的X㊁Y 方向施加水平约束,Z 方向只固定模型下部,上部根据实际应力值设定相应的应力边界,模型中的物理力学参数见表1.分别模拟宽度为4m㊁6m㊁8m 和10m 四种煤柱宽度下沿空掘巷应力变化规律㊂图3㊀沿空掘巷数值计算模型图表1㊀模型物理力学参数表岩性弹性模量G /GPa 泊松比体积模量K /GPa 剪切模量G /GPa 内摩擦角/(ʎ)厚度/m 上覆岩层 5.500.20 3.90 3.103010.0石灰岩10.70.18 5.57 4.53257.0B2煤 5.40.15 2.56 2.36200.5泥岩10.70.18 5.57 4.5324 6.0B3煤 1.490.38 2.080.5420 5.0粉砂岩8.00.19 4.3 3.3623 3.0泥岩10.70.18 5.57 4.5325 6.0下覆岩层6.60.224.053.503010.0㊀㊀数值计算过程为:建立数值计算模型ң原岩应力平衡计算ң开挖B3102工作面计算ң沿空掘巷计算ңB3103工作面回采计算ң输出计算结果㊂B3103工作面在邻近工作面B3102回采后的垂直应力分布见图4.原岩应力大小为:6.25MPa,B3103工作面临近采空区边缘距采空区0~5m 为应力降低区,峰值位置距采空区边界10m,峰值为13MPa,应力增高区为5~30m,原岩应力区为30~60m.为了确定合理的窄煤柱宽度,首先研究B3103回风顺槽掘进期间4个方案中不同宽度窄煤柱垂直应力场分布情况,见图5.由图5可以看出,随煤柱宽度的增加,沿空巷道煤柱内垂直应力的峰值先增大后趋于稳定,即峰值从4m 煤柱时的3MPa 增大到10m 煤柱时的9MPa 左㊃12㊃2020年第12期张文豪:沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定图4㊀侧向支承应力分布云图右,然而煤柱4m时的垂直应力峰值已显著低于原岩应力,这是由于在掘进的过程中4m煤柱无法承受采动扰动下的侧向采动应力峰值,因此留设4m护巷煤柱是不利于巷道的长期稳定㊂随煤柱宽度的增加,实体煤帮内垂直应力峰值先增大后减小,但其增大的幅度较小,即实体煤内垂直应力峰值稳定在14~ 15MPa,煤柱在8m和10m巷道围岩处于高应力环境,巷道围岩不容易稳定,6m煤柱能够起到一定的㊀图5㊀不同煤柱宽度垂直应力分布规律图承载作用,同时处于低应力环境,能够保持沿空巷道大应力环境下的稳定㊂4　沿空掘巷合理支护参数及现场工业性试验顶锚杆使用22/2400螺纹高强锚杆,间排距为850mmˑ1000mm,采用尺寸150mmˑ150mmˑ10mm高强度拱形托盘,锚固方式采用一支CKb2335和一支K2360树脂锚固剂㊂顶锚索使用d18.9mmˑ6300mm的矿用锚索,锚索沿顶板呈2-1-2布置,间距为1700mm,排距为1000mm,配套使用300mmˑ300mmˑ16mm的高强度托盘,使用一支CKb2335及两支K2360树脂锚固剂,两帮采用22/ 2000螺纹高强锚杆,间排距为800mmˑ1000mm,采用尺寸150mmˑ150mmˑ10mm高强度拱形托盘,锚固方式采用一支CKb2335和一支K2360树脂锚固剂㊂B3103回风顺槽支护断面图见图6.B3103回风顺槽掘进期间的巷道表面位移监测结果见图7.由图7可以看出,采用6m煤柱宽度配合合理支护参数,B3103回风顺槽掘进期间,随着距掘进头距离的逐渐增大,沿空巷道两帮移近量最大值达到150mm左右,顶底板移近量最大值达到187mm左㊃22㊃山西焦煤科技2020年第12期㊀图6㊀B3103回风顺槽支护断面图图7㊀B3103回风顺槽两帮及顶底板移近量图右,巷道围岩变形量较小,验证了煤柱宽度及支护参数的合理性㊂5㊀结㊀论探究了沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数,基于极限平衡理论确定了沿空掘巷理论宽度,建立了FLAC 3D 数值计算模型,分析了一侧采空后侧向支承应力分布规律㊁不同煤柱宽度沿空掘巷围岩应力分布特征,得出了以下结论:1)沿空掘巷窄煤柱理论宽度为4.656m,B3103工作面临近采空区边缘距采空区0~5m 为应力降低区,峰值位置距采空区边界10m,峰值为13MPa,应力增高区为5~30m,原岩应力区为30~60m.2)6m 煤柱宽度配合合理的支护参数,掘进期间两帮移近量最大为150mm 左右,顶底板移近量最大为187mm 左右,沿空巷道围岩保持稳定㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀郭金刚,王伟光,岳帅帅,等.特厚煤层综放沿空掘巷围岩控制机理及其应用[J].煤炭学报,2017,42(4):825-832.[2]㊀王德超,王㊀琦,李术才,等.深井综放沿空掘巷围岩变形破坏机制及控制对策[J].采矿与安全工程学报,2014,31(5):665-673.[3]㊀郭重托.特厚煤层迎采扰动沿空掘巷围岩控制技术研究[J].煤炭工程,2020,52(11):42-46.[4]㊀李㊀季,王文硕,强旭博.深部沿空掘巷主应力差分布规律及煤柱宽度优化[J].西安科技大学学报,2020,40(5):869-877.[5]㊀柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2004(20):3475-3479.(下转第35页)㊃32㊃2020年第12期张文豪:沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定件进行调整㊂2)井筒热风与冷风的风量混合比例与热风温度存在负相关关系㊂3)煤矿井筒保温设计在热源选择上要综合考虑初投资㊁经济运行㊁智能化等因素,远红外电加热热风炉具有比较优势㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀张佳兵.浅谈寒冷地区煤矿井筒保温防冻设计[J].科技情报开发与经济,2008(28):222-223.[2]㊀郭潞斌.王庄煤矿北栗风井井筒保温技术优化方案研究[J].煤,2015(7):28,42.[3]㊀翟展红.远红外热风输送系统在煤矿的应用和推广[J].中小企业管理与科技,2017(6):23-24.[4]㊀王忠平,徐长志,孙凤杰,等.热风炉供热系统在矿井保温中的应用[J].铁法科技,2014(11):18-20,72.Application Design of Heating Engineering with Far-infraredRay Technology in Coal Mine ShaftLI Jiangwu ,LIU Xiaolin ,WEN Jiandong㊀㊀Abstract ㊀Based on the design of three air intake shaft winter heating projects of Sanjusheng Coal Industry as theresearch background,according to the maximum air intake volume of the three air intake shafts and local winter weather conditions,the heat demand power of the heating equipment and the air volume of the supporting engine for hot air fan are reasonably determined.Through the comparison of operating data,it is verified that the shaft heatingmethod is effective in terms of operating cost,energy saving and environmental protection,and heating effec.Key words ㊀Far infrared heating device;Shaft insulation;Heat demand calculation;Heating efficiency(上接第19页)Design and Application Practice of Reverse Divided FlowSeparation Process for Dense Medium SeparationWANG Caixia ,WANG Jian㊀㊀Abstract ㊀The causes of high medium consumption and high water consumption are analyzed,the design of re-verse divided flow process is put forward,and the reasonable reverse divided flow device is designed.And the control system is also designed and analyzed.The practical industrial application has been successful in Chengzhuang Coal Preparation Plant.Key words ㊀Dense medium separation;Reverse divided flow design;Reverse divided flow device;Reverse di-vided flow control system (上接第23页)Determination of Reasonable Coal Pillar Width and SupportParameters for Gob Side Entry DrivingZHANG Wenhao㊀㊀Abstract ㊀Through theoretical analysis,the theoretical coal pillar width of gob side entry driving is determined,the numerical calculation model of roadway driving along goaf with FLAC3D is established to analyze the evolution lawof lateral support stress.The reasonable width of coal pillar is determined as 6m,and the reasonable support parameters are put forward.The field industrial test shows that the deformation of return air gateway in B3103working face is within the predicted range,which verifies the rationality of coal pillar width and support parameters,andprovides reference for surrounding rock control of roadway driving along goaf under similar conditions.Key words ㊀Gob-side entry driving;Coal pillar width;Support parameters;Roadway deformation㊃53㊃2020年第12期李将武等:远红外线热风炉在煤矿井筒保温中的应用设计。

222021年第3期收稿日期2020-10-21作者简介 张兵强（1975—），男，山西沁水人，助理工程师，现在南凹寺煤业从事采矿技术管理工作。

综采工作面窄煤柱沿空掘巷支护技术研究张兵强（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）摘 要 为保证工作面最大程度回采资源的同时兼顾30407工作面运输巷安全掘进，根据现场地质条件，对30407工作面沿空掘巷煤柱留设尺寸进行数值模拟。

可知：沿空掘巷留设煤柱为5 m ，对煤柱进行注浆加固，采取锚杆+金属网+梯子梁支护巷道，掘进期间巷道顶板和两帮最大变形量分别为23 mm 、125 mm ，满足巷道正常使用要求，且可增加20万t 煤炭采出量。

关键词 综采；沿空；煤柱中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2021.03.009Study on Supporting Technology of Gob Side Entry Driving with Narrow Coal Pillar in FullyMechanized Working FaceZhang Bingqiang(Shanxi Qinhe Energy Group Nanaosi Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Jincheng 048000)Abstract : In order to ensure the maximum recovery of resources and the safe driving of the 30407 working face transportation roadway, according to the site geological conditions, the numerical simulation of the coal pillar size of the 30407 working face gob side entry is carried out. It can be seen that the coal pillar size is 5 m, the coal pillar is grouted and reinforced, and the bolt + metal mesh + ladder beam is adopted to support the roadway. During excavation, the maximum deformation of roadway roof and two sides are 23 mm and 125 mm respectively, which can meet the requirements of normal use of roadway, and can increase 200 000 tons of coal production.Key words : fully mechanized mining; along gob area; coal pillar1 工作面概况南凹寺煤矿30407工作面为综采工作面，主采3#煤层，煤层厚度为7.3~8.8 m ，平均煤厚8.05 m 。