第51卷第n期
2020年丨丨月Safety in Coal Mines Vol.51 No.ll Nov. 2020
移动扫码阅读
DOI:10. 13347 /jki.mkaq.2020.11.052
陈洋，王存文，张丽丽，等.基于防冲的充填工作面区段煤柱合理宽度研究[J].煤矿安全，2020,51(11)：253-257,262. CHEN \ang,WANG Cunwen, ZHANG Lili, et al. Study on Reasonable Width of Section Coal Pillar in Filling Face Based on Rock Burst Prevention [j j. Safety in Coal Mines, 2020, 51(11 ): 253-257, 262.
基于防冲的充填工作面区段煤柱
合理宽度研究
陈洋\王存文2，张丽丽\李振武'周法乐4，马善磊4
(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083;2.山东能源集团有限公司，山东济南2500丨4;
3.淄博职业学院建筑工程学院，山东淄博255314;
4.山东济宁矿业集团运河煤矿，山东济宁272000)
摘要：为了实现充填工作面回采期间的防冲安全，以山东运河煤矿充填回收遗留条带煤柱为
工程背景，在分析相邻采空区侧向支承压力分布特征的基础上，建立充填工作面区段煤柱失稳
的工程力学模型，研究了区段煤柱的应力分布特征和失稳准则，确定了区段煤柱的合理尺寸。结
果表明：充填浆体和矸石力学作用机理的差异导致区段煤柱处于水平方向的不等压力学结构，
当区段煤柱受到的水平挤压力大于顶底板施加的阻抗力时，区段煤柱具有发生失稳的危险，综
合考虑防治冲击地压、保障充填开采可靠性及提高煤炭资源回收率等因素，确定区段煤柱合理
宽度为5.1〜8.8 m。
关键词.•采矿工程；充填开采；冲击地压；区段煤柱；稳定性
中图分类号：TD324+.2 文献标志码：B文章编号：1003-496X(2020) 11-0253-05
Study on Reasonable Width of Section Coal Pillar in Filling Face Based on Rock Burst Prevention CHEN Yang', WANG Cunwen2, ZHANG Lili\ L I Zhenwu4, ZHOU Fale4, M A Shanlei4
(\.School of Civil and Resource Engineering, University o f Science and Technology Beijing, Beijing100083, China\2. Shandong Energy Group Company Limited, Jinan250014, China;3. Department of Building Engineering, Zibo Vocational Institute, Zibo255314, China：4.Yunhe Coal Mine, Shandong Jining Mining Group, Jining272000. China)
Abstract:In order to ensure th e1safety of anti-rock burst (luring the stoping of filling face, take the residual strip coal pillar in filling face of Yunhe Coal Mine as the engineering background, based on the analysis of the distribution characteristics of lateral abatement pressure in adjacent goaf, an engineering mechanical model of coal pillar instability in the section coal pillar of filling face is established, the stress distribution characteristics and instal)ility criterion of section coal pillar are studied, and the reasonable size of section coal pillar is determined. The results show that the difference in the mechanical mechanism of filling slurry and gangue leads to the unequal pressure structure of the section coal pillar in the horizontal direction: when the horizontal extrusion pressure of the section coal pillar is greater than the impedance force exerted hy the roof and floor, the section coal pillar will he in danger of instability；the reasonable width of the section coal pillar was d
etermined to be 5.1 m to 8.8 m by comprehensively considering the factors such as preventing rock hurst, ensuring the reliability of filling mining and improving the recovery rate of coal resources.
Key w ords：mining engineering; backfilling mining; rock Im rst; segment pillar; stability
随着煤炭资源的持续开发，采用充填开采工艺 回收条带煤柱成为一些老矿区持续发展的必然选基金项目：国家自然科学基金资助项目（51674014)；中央高校基本^丨丨，区&煤tl：对隔离米免区、保障回采巷道的稳疋 科研业务费资助项目（F R F-A T-18-016，F R F-A T-18-013)性以及充填丄艺的顺利实施起到关键作用|-_41。充填
第51卷第11期
2020年11月Safety in Coal Mines Vol.51 No. 11 Nov. 2020
体和矸石物理力学性质和堆积形态的差异形成不等 压力学结构，致使区段煤柱应力分布规律变得复
杂，区段煤柱宽度是影响工作面围岩稳定性的重要 因素15_71。我国学者针对区段煤柱合理宽度问题进行 了一系列研究。奚家米等181总结了沿空掘巷时煤柱 宽度常用力学模型和确定方法，提出应采用现场实 测和数值模拟相结合的方法确定合理煤柱宽度；姜 福兴等191分析了沿空巷道应力场分布特征，提出了 评价沿空巷道冲击危险性的工程判据；赵启峰等1K)l 通过数值模拟和现场实测研究了不同宽度煤柱应力 演化特征和巷道围岩整体稳定性，优化了深井动压 区域区段煤柱留设方案；伍永平等分析了区段煤柱应力分布规律和失稳破坏准则，提出了基于大范 围岩层控制的大倾角煤层区段煤柱的确定方法；孔 令海等％利用微地震监测系统和数值模拟软件对特 厚煤层综放工作面上覆岩层破裂运动发展规律和支 承压力分布特征进行了研究，为确定区段煤柱的合 理宽度提供指导；刘金海等1n|研究了深井特厚煤层 综放工作面侧向支承压力分布特征和煤体塑性发育 范围，以避开应力高峰区和煤体破碎区作为确定区 段煤柱宽度的原则；陈绍杰等1w研究了孤岛煤柱充 填开采覆岩时空模型及运动规律，实测了区段煤柱 在充填开采期间的破坏规律；孙希奎等1151提出区段 煤柱宽度由塑性区宽度、煤柱稳定宽度和锚杆长度 组成；张广超等[161建立了综放工作面侧向基本顶破 断结构模型，提出了适用于高强度开采综放工作面 的区段煤柱留设方法；候西华等1171认为区段煤柱存 在弹性核是导致强矿压的主要原因，应缩小煤柱尺 寸使其处于弹塑性临界状态；王德超等1181提前在泄 水巷内布
设钻孔应力计和采用数值模拟软件研究侧 向支承压力分布特征，确定了沿空巷道应布置的低 应力区范围；王朋飞等1191研究了采空区响应对煤体 的应力分布和破坏范围的影响，得到了煤柱极限平 衡区宽度表达式；王伟等1201采用数值分析方法对区 段煤柱合理留设宽度经验公式进行了优化。
上述研究主要针对煤体垂直应力分布特征对区 段煤柱宽度留设的影响，但涉及充填体水平应力作 用下区段煤柱稳定性的研究较少。为此，以山东运 河煤矿为工程背景，重点分析相邻采空区顶板转移 的载荷以及充填体施加的水平挤压力对区段煤柱稳 定性的影响，提出统筹冲击地压防治、充填开采工 艺要求以及煤炭资源回收率等因素的区段煤柱宽度 确定方法，以期为其他类似条件下的充填工作面区 段煤柱留设提供借鉴。!工程概况
山东运河煤矿主采3层煤，煤厚6.4 m，煤层倾 角1〇°，受村庄压煤影响，矿井前期采用条带开采方 式开采，待回采完毕后，采用充填开采工艺回收五 采区遗留条带煤柱。C5301工作面计划开采煤柱宽 度为160 m，走向长290 m，埋深约670 m，工作面采 用后退式倾向长壁综采机械化采煤法开采，采空区 采用超高水材料充填管理顶板。煤体单轴抗压强度 12.73 MPa。四邻采掘情况：待采煤柱以东为5301采 空区，采空区宽度为60 m；以西为采区下山巷道，距西部6303、630丨、6302采空区最短距离为190 m; 以北为工业广场煤柱；以南为原五采区运输巷，工作 面开采区域位置如图1。
(a )条带煤柱平面阁
采区下山采空区
巷道k_______160 m60^
剖面图
图1工作面开采区域示意图
Fig. 1Schematic diagram of working face mining area
确定充填工作面区段煤柱宽度时需要考虑3个 原则：一是有利于冲击地压防治；二是有利于充填开 采工艺实施；三是有利于煤炭资源回收。沿空巷道 的冲击危险性以及区段煤柱的稳定性与煤体所处的 应力环境相关，资源回收率以及充填开采工艺受区 段煤柱宽度及其完整性影响。鉴于此，首先分析相 邻采空区侧向支承压力分布规律，研究基于防冲的
区段煤柱宽度范围；其次，研究充填体对区段煤柱 的力学作用机理，得到保障区段煤柱稳定的最小宽 度；最后，根据上述3个原则确定充填工作面区段 煤柱的合理宽度。
2区段煤柱稳定性分析
采空区顶板将自身及上覆岩层载荷转移至周边 煤体，区段煤柱留设宽度直接影响沿空巷道附近煤 体支承压力分布特征，进而影响沿空巷道的冲击危 险性。由于相邻采空区采用垮落法管理顶板，区段 煤柱面临由矸石-顶板-底板-充填体构成的围岩结 构，矸石和充填体力学性质的差异导致区段煤柱处 于水平不等压力学作用环境。
2.1覆岩结构对区段煤柱垂直应力分布的影响
2.1.1 “载荷三带”理论模型
5301采空区侧向支承压力对区段煤柱支承压 力分布产生明显影响。结合5301采空区覆岩空间结 构特征，基于姜福兴教授提出的“载荷三带”理论™ 得到采空区侧向支承压力分布估算模型，采空区侧 向支承压力由即时加载带岩层结构传递的应力、延 时加载带岩层结构传递的应力和静载带岩层结构传 递的应力组成，BP:8aag01ww
5=5|+52+53(1)式中为采空区侧向支承压力，M P aA为即时 加载带岩层结构传递的应力，MPa;52为延时加载带 岩层结构传递的应力，MPa为静载带岩层结构传递的应力，MPa。
2.1.2采空区侧向支承压力分析
根据地表岩移观测站数据，五采区地表最大下 沉量为411 mm，推断5301米空区未达到充分采动 阶段，采空区上覆岩层结构处于全悬顶状态。5301 采空区宽度为60 m，岩层裂隙发育高度有限，上覆 岩层的延时加载效应不明显，视为不存在延时加载 带，即上覆岩层结构退化为即时加载带+静载带的 “二带”结构，此时延时加载带岩层厚度吣=0,52=0, 载荷三带应力估算模型如图2。
即时加载带岩层传递应力5，来源可近似为即 时加载带0/1K范围内形成的“结构”的岩层质量。
(2)
式中为即时加载带岩层厚度，m;p为岩层 的平均密度，t/m3;a为岩层移动角，（°);L为5301 采空区宽度，m。
该区域内岩层的质量全部传递到采空区外侧的
Fig.2
图2载荷三带应力估算模型
Stress estimation model for three belts under load
煤体中，在工程允许的精度范围内对实测结果进行 近似拟合后，采用了三角形分布的形式：
式中：为即时加载带岩层结构传递到煤体上的应力峰值，MPa。
静载带内的岩层组在整个开采过程中仅发生弯 曲下沉，静载带的岩层在即时加载带上方形成的结 构将自重施加到采空区外侧煤体。静载带传递应力 的来源近似为静载带/1BCD范围内形成的“结构”的岩层质量。
s_M^S_x l l J l^+r^\x2+J^\(4)
2 ' 'tana 2 1tana'
式中为静载带岩层厚度，m。
该区域内岩层的质量全部传递到采空区外侧的 煤体中，采用三角形分布的形式：
g_ )x S^数码彩扩
2tana
(5)
式中：为静载带岩层结构传递到煤体上的应力峰值，MPa。
5301采空区宽度i=60 m，取埋深//=670 m，M,=30 m，/W3=640 m，a=83°,p=2.5 t/m3，将上述参数 代人式（1)~式（5)，得到的5301采空区侧向支承压 力曲线如图3。
图3中红虚线为冲击地压危险判定线，判定 依据是煤体单轴抗压强度的1.5倍™。采空区侧向 支承压力影响范围为86 m，支承压力峰值为35.7 MPa，在距离采空区边缘43 m处;4C段（距采空区 25~80 m)
滚压头为采空区侧向支承压力高应力影响区，此
•255.
底板
u)区段煤柱围岩结构示意图
40 60 80 100
距5301采空区距离/m
120
图3 5301采空区侧向支承压力分布
Fig.3 Distribution of lateral abutment pressure in 5301 goaf
范围内的煤体承受超出1.5倍煤体单轴抗压强度的
静载，发生冲击地压的危险性较大，采掘期间形成
动载扰动会进一步增大煤体发生冲击的危险性，不 宜在此范围内布置回采巷道。
2.2 充填体对区段煤柱的力学作用机制
耐热粘合剂由T相邻采空区顶板管理方式的不同，充填工 作面回采时，区段煤柱在顶板和底板的夹持下将形 成一侧是矸石另一侧是充填浆体的围岩结构，由于 2种介质的充实率和物理力学性质的差异，导致区 段煤柱面临着水平方向的不等压力学结构，充填工 作面区段煤柱力学模型如图4。
充填采煤工作面在采出煤体后及时将充填浆体 充人采空区，充填浆体在顶板-实体煤-底板-区段 煤柱形成的封闭空间内处于近似三轴压缩的力学环 境，将会对区段煤柱产生明显的水平推力；相邻采 空区的矸石多是自然垮落压实并很难填满采空区，同时矸石块体形状不规则而导致水平应力的传递性 差，最终造成矸石对区段煤柱的水平推力小于充填 浆体施加的水平推力而产生水平应力差。因为水平 应力差的存在，区段煤柱受到顶底板施加的反方向 的阻抗力。当水平应力差与阻抗力相等时，区段煤 柱保持稳定；当水平应力差大于顶底板所能提供的 最大阻抗力时，区段煤柱将发生侧垮、坍塌等动力 灾害，甚至可能引起充填浆体外流或冲出采空区而 导致充填失败。
在图4模型中，以区段煤柱、矸石和底板的交 汇点为原点，以工作面倾向为％正方向，以竖直方向 为y正方向建立坐标系，区段煤柱不发生失稳的条 件为：
(h)区段煤柱受力示意图
图4充填工作面区段煤柱力学模型
Fig.4 Mechanical model of coal pillar in filling face section
(F g+T r+T,)>k F h
O丨，,M
T r=f°'y L
T,=f(cry+Mpg )l.
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
式中：&、/；分别为充填浆体、矸石对区段煤柱 的水平推力，MPa;\、h分别为顶板、底板对区段煤
柱施加的阻抗力，MPa;Ah、AB分别为充填浆体、矸石 对区段煤柱的侧压系数;A/为巷道高度，m;/为区段 煤柱与围岩间的静摩擦系数;％为区段煤柱平均支 承压力，MPa;A：为安全系数;/为区段煤柱宽度，m。
根据现场情况，取 Ab=0.67，As=0.05,crv=5 MPa, M=4 m』=2,/=0.5,p=1.3 t/m3，将数据代入式（6)~式 (10)，得到/>5.1 m。
3区段煤柱合理宽度的确定
I )基于防冲的区段煤柱宽度留设。由图3分析 可知，当区段煤柱采用小煤柱留设方案时，巷道煤 体因处于低应力区而降低了发生冲击地压的危险。根据深井厚煤层开采冲击地压防治经验，沿空巷道 实体帮的卸压区宽度应不小于12 m，考虑到沿空巷 道宽度为4.2 m，得到区段煤柱宽度/专8.8 m D当采
支撑丨五力变化曲线
冲击地乐危险判定线l
/
lK
/
适
•256*
第51卷第11期2020年11月
4分走令
Safety in Coal Mines
Vol.51 No. 11
Nov. 2020
用大煤柱留设方案（/>80 m)时，沿空巷道附近煤体
基本处于原岩应力区，但沿空巷道在掘进期间施工
大直径卸压钻孔导致区段煤柱中部形成弹性承载
区，弹性承载区煤体积聚了大量弹性变形能容易在
采掘扰动影响下发生冲击危险，冲击危险性大于小
煤柱留设方案。
2) 保障充填开采可靠性的区段煤柱宽度留设。为了充填浆体提供有效侧向约束从而保障充填开采工
艺的顺利实施，区段煤柱宽度/>5.1 m。
3) 区段煤柱宽度确定。当采用大煤柱留设方案 时，因区段煤柱宽度较大需要施工大直径钻孔卸压
工程，卸压工程量大且防冲可靠性差；当采用小煤
柱留设方案时，因区段煤柱宽度较小在垂直应力作
用下容易发生塑性破坏而导致巷道变形量增加，但
卸压工程量将大大减少，这对保障煤矿安全高效生
产具有积极意义。最后，综合考虑冲击地压危险性、
巷道维护工程量、卸压工程量以及资源回收率等因
素，最终得到区段煤柱宽度为5.1~8.8 mD
4充填工作面回采期间的安全保障措施
区段煤柱长期受风化作用，表面煤体会产生塑
性破坏，相邻采空区侧煤体还有可能受到水的侵
蚀，造成煤体塑性破坏范围扩大，导致区段煤柱的
有效支撑面积减小，进一步削弱了区段煤柱的承载
能力，工作面回采时容易发生煤柱坍塌、侧垮或围
岩大变形等动力灾害，为充填工作面的安全回采产
生了不确定因素。
针对此类问题提出2点思路：①对区段煤柱采
用锚网索进行加强支护。在巷道沿空帮中部分别向
顶板、底板岩层打锚索，深度以进人岩层1m为宜，
锚索端部采用钢带进行十字交叉固定，巷道表面加
设菱形金属网，加强对区段煤柱的侧向约束，提高
其承载能力；②在巷道沿空帮布置1条宽度不小于
2 m的充填墙，充填墙紧随工作面布置，调整配比使
充填墙强度达到10 MPa以上，充填墙对区段煤柱
形成有效侧向约束并能分担煤柱载荷，同时充填墙
比区段煤柱具有良好的整体性和密实性，可为采空
区内充填浆体固结提供可靠的密闭空间。
5结论
1)采用载荷三带理论分析了采空区侧向支承压
力的分布规律，为保障充填工作面的防冲安全，优
先采用小煤柱留设方案（/<8.8 m)，其次采用大煤
柱留设方案（/>80 m)。2) 建立了区段煤柱失稳力学模型，当区段煤柱
受到的水平挤压力大于顶底板施加的最大阻抗力
时，区段煤柱存在失稳的危险，保障充填开采工艺
顺利实施的区段煤柱最小宽度为5.1 m。
3) 统筹冲击地压防治、充填开采工艺要求和提 高煤炭资源回收率的考虑，煤柱合理宽度为5.1〜8.8
m，对区段煤柱加强支护或在巷道沿空帮布置充填
墙，可有效提高区段煤柱的整体稳定性。
参考文献：
[1]缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿开采研究现状与
展望[J].采矿与安全工程学报，2009,26( 1): 1-14.
[2]杜计平，孟宪锐.采矿学[M].徐州：中国矿业大学出版
社，2009:92-104.
[3]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐
州：中国矿业大学出版社，2010 = 203-233.
[4]黄俊，王卫军，王林，等.急倾斜煤层充填开采的数值
模拟[J].矿业工程研究，2010,25(3): 16-19.
[5]姜福兴，史先锋，王存文，等.高应力区分层开采冲击
地压事故发生机理研究[J].岩土工程学报，2015,37
(6)：1123-1I3I.
[6]黄鹏.煤岩蠕变损伤机理及工作面临空区段煤柱稳定
性研究[D].徐州：中国矿业大学，2018.
[7]杨光宇，姜福兴，李琳，等.复合动力灾害条件下孤岛
工作面区段煤柱宽度留设研究[J].中国安全生产科
学技术，2017,13(8): 145-151,
[8]奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度
确定方法研究与应用[j].采矿与安全工程学报,2008,
25(4)：400-403,
[9]姜福兴，王建超，孙广京，等.深部开采沿空巷道冲击
危险性的工程判据[J].煤炭学报,2015(8): 1729.
[10]赵启峰，连会青，邱海涛，等.深井动压区段煤柱应力
演化及合理宽度研究[J].煤矿安全，2015,46(7):
59-62.
[11]伍永平，皇甫靖宇，解盘石，等.基于大范围岩层控制
自制鱼缸灯架
技术的大倾角煤层区段煤柱失稳机理[J].煤炭学
2018(11)：3062-3071,
[12]孔令海，姜福兴，刘杰，等.特厚煤层综放工作面区段
自动干手器
煤柱合理宽度的微地震监测[』].煤炭学报，2009,
34 (7):871-874.
[13]刘金海，姜福兴，王乃国，等.深井特厚煤层综放工作
面区段煤柱合理宽度研究[J].岩石力学与工程学
报，2012(5):92丨-927.
[14]陈绍杰，郭惟嘉，周辉，等.条带煤柱膏体充填开采覆
岩结构模型及运动规律[J].煤炭学报，2011,36(7):
1081-1086.
(下转第262页）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议