矿井煤柱的合理确定与巷道支护技术研究

机械管理开发

MECHANICALMANAGEMENTAND

DEVELOPMENT

Total193No.5，2019

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.05.047

矿井煤柱的合理确定与巷道支护技术研究

黄贵庭

（山西兰花煤炭实业集团有限公司，山西

摘

晋城

048000）

要：以莒山煤矿ZF306工作面运输顺槽为工程背景，采用数值模拟技术手段对不同煤柱宽度下的巷道围岩

护巷煤柱为8m时巷道周边岩层受力以及变形量处于较好状应力、塑性区以及围岩变形进行分析。结果表明：态。现场实践采用8m护巷煤柱并优化巷道支护参数进行设计，应用实践表明：巷道围岩变形量最大值为46并增加资源回收率。mm，可以满足综放工作面安全高效回采，关键词：煤柱

综放

数值模拟

文献标识码：A

文章编号：（2019）1003-773X05-0109-03

中图分类号：TD353

引言

随着矿井开采水平以及开采装备的不断提升，

集约化、大型化综采工作面成为中厚煤层开采的主

大型化综采面的回采巷道断面较大，要发展方向[1]。

受到采用影响比较大，矿压显著较为剧烈。在神东、晋煤、同煤等大型化矿井中采用的护巷煤柱宽度在20~50m不等，常规的巷道支护采用锚杆、锚索联合

但是护巷煤柱过大虽然能支护，保证巷道围岩稳定，

保证回采巷道围岩稳定，但是却造成大量煤炭资源浪费[2-4]。合理确定护巷煤柱宽度及巷道支护方式不仅可以保证巷道围岩稳定，而且可以提升煤炭采收率，增加矿井效益。以山西坪山矿30206回采工作面运输巷掘进为工程背景，采用数值模拟技术手段，对不同宽度护巷煤柱进行分析，并具体确定巷道支护参数。

1工程概况

兰花集团莒山煤矿主采3号煤层，煤层的埋藏深度在110~130m间，煤层的厚度在3.38~8.15m，煤层平均厚度6.13m，埋藏倾角在2°~6°。煤层赋

层理一般，节存稳定，地质构造简单，为单斜构造，

理较发育。煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度为

老顶为深灰色砂质1.45m，含云母及炭质植物化石；

平均厚度为5.13m；泥岩和灰色细砂岩互层，直接

平均厚度为0.62m，底为砂质泥岩，含少数黄铁矿；平均厚度为2.93m。以往综放工基本底为细砂岩，

作面留设的煤柱宽度为20m，两顺槽沿煤层底板布

净宽为3.20m，置，矩形断面，采用锚网梁索支护，

净高为2.50m，净断面积8.00m2。典型的巷道支护如图1所示。

巷道顶板布置规格椎18mm×2000mm螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm，布置规格椎17.8

收稿日期：2019-02-26

（1964—）高级工程师。作者简介：黄贵庭，男，硕士研究生，

锚索椎17.8mm×6300mm

钻孔深度6000mm螺纹钢锚杆椎18mmL=2000mm

15°

煤柱帮

15°

5200

螺纹钢锚杆椎20mmL=2500mm

玻璃钢锚杆椎20mmL=2000mm15°

900900900900900

2000

实体煤帮

15°

图1巷道原支护参数

mm×5300mm锚索，间排距1600mm×1600mm，使用椎14mm钢筋焊接的钢筋梯子梁；两帮布置规格椎18mm×2000mm玻璃钢锚杆，间排距1600

两顺槽出现顶mm×900mm。在工作面回采过程中，

失效，钢筋梯子梁变形严板下沉量较大，锚杆（索）

重，底板底鼓等现象，极大地影响了工作面安全高效生产。

根据两顺槽围岩变形情况可以看出，两顺槽受

不利于回采工作集中应力影响，周边围岩变形严重，

由于3号煤层为优质无烟煤，经济价面的正常回采，

值高，合理确定煤柱宽度对回采面的安全顺利生产及提高资源回采率具有重要意义。2模拟分析

数值模拟手段是护巷煤柱宽度确定的一个有效

模拟结果与现场实践较为技术手段，具有方便快捷、

吻合等优点。

以莒山煤矿ZF306回采工作面运输顺槽为模拟

建立数值模拟模背景，根据巷道掘进区域地质资料，

型，具体如下页图2所示。建立的数值模拟模型沿着

（x轴）煤层倾斜方向长度为300m，沿着煤层走向方

（z轴）为50m，向上（y轴）长度为400m，沿着竖向方向

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第34卷

30204回采工作面采空区

设计煤柱

Z

Y

X

图2数值模拟模型

模拟的巷道宽、高分别为3.2m以及2.5m，固定模

型的水平方向位移以及底部位移，上部边界为自动界面。在模型上部按照100m埋深施加垂向应力q，

取值为7.5MPa，侧向应力系数按照1.2计算，

岩石破坏准则按照摩尔库伦准则确定。

模拟分析煤柱宽度分别为4m、8m、12m、16m、20m、24m、30m七种不同煤柱宽度下的应力以及巷道周边岩层破坏情况。

不同煤柱宽度下煤帮内的应力，图中水平距离0~20m为实体煤帮，20~23.2m之间为巷道，23.2m以外为煤柱侧。从图中可以看出，不同的煤柱宽度，煤柱内应力分布具有显著差异。当煤柱宽度在8m

以内时，煤柱在顶板压力作用下出现较大破坏，

整体承载能力较差，煤柱内最大应力值不高，

实体煤承担着绝大部分的上部岩层压力，应力分布呈现出实体

煤内高，煤柱内低的特点；

在煤柱宽度为12~20m范围内时，煤柱内的应力值较大，实体煤侧应力较小，煤柱起到对上覆岩层压力支撑的作用，巷道的整体

受力区间位于高应力区；

随着煤柱宽度的增加，煤柱宽度在20m以上时，受到煤柱侧采空区影响以及巷道掘进影响，煤柱内应力分布呈现出双峰状。

不同煤柱宽度时应力煤柱以及实体煤帮应力最大值分布情况如表1所示。

随着护巷煤柱宽度的不断增加，实体煤帮应力最大值分布呈现先增大后降低，煤柱宽度从4m增

表1不同煤柱宽度下实体煤帮以及煤柱内应力分布情况

煤柱护巷煤柱帮/m

宽度

实体煤帮

应/MPa

力峰值距巷帮距离/m应/MPa力峰值距巷帮距离/m

411.13.67.91.8813.33.410.83.81214.43.615.64.21615.12.617.84.72013.22.619.414.02410.82.016.318.028

10.7

2.0

16.2

22.0

加到16m时，实体煤侧应力最大值从11.1MPa增加至15.1MPa，应力峰值位置基本稳定在距离巷道煤壁3.6m位置；巷道煤壁煤柱宽度从15m增加到28m时，实体煤侧应力最大值从15.1MPa降低至10.7MPa，应力峰值位置基从距离巷道煤壁3.6m降低至距离煤壁2m左右，并趋于稳定。随着煤柱宽度的增加，煤柱内最大应力分布呈现出先增大后减少

趋势，煤柱内应力峰值从单峰状转向双峰状，

具体表现为：煤柱宽度从4m增加到20m时，煤柱内应力

峰值逐渐增加，从7.9MPa增加到19.4MPa，煤柱内

应力峰值位置从距离煤壁1.8m位置增加到距离煤

壁14m位置；煤柱宽度从20m增加到28m时，

煤柱内应力峰值逐渐降低，从19.4MPa降低到16.2MPa，煤柱内应力峰值位置从距离煤壁14m位置增加到距离煤壁22m位置，煤柱内应力峰值主要是受到临近的采空区作用影响，煤柱内应力分布从单峰状过度到双峰状。

可以看出，随着煤柱宽度的增加，实体煤内应力

逐渐向煤柱内转移，当煤柱宽度超过12m时，

煤柱起到对顶板支撑的作用，主应力峰值也开始向煤柱

内转移。随着煤柱宽度的增加，

垂直应力峰值也从实体煤深部→实体煤浅部→煤柱→远离巷道转移。随着巷道周边岩层应力转移，塑性区必然会发生变化。当煤柱宽度在4~8m时，由于煤柱的承载能

力较差，受到临近的采空区影响，

煤柱出现较为严重的剪切破坏，破坏区遍布在整个煤柱之内，

煤柱仅仅依靠破坏后的残余强度支撑顶板，顶板向采空区侧

出现明显偏斜，巷道煤柱帮出现显现挤压变形；

煤柱宽度增加到12~20m时，煤柱的强度显著增加，煤柱中存在部分的弹性区，煤柱承载能力显著增强；当煤柱宽度达到20m以上时，煤柱中部存在一定的弹性核，整体稳定性较高，巷道能保持较好的状态。

受到回采工作以及巷道掘进作用，煤柱内出现应力集中，当煤柱极限强度小于受到的应力作用时煤柱就会出现破坏，主要体现在剪切破坏。在煤柱宽度在4~8m间时，巷道顶板岩层向采空区呈现出偏

斜，若采用支护措施强化巷道顶板及煤柱，

可以减少巷道围岩变形。

随着护巷煤柱宽度的增加，巷道围岩变形呈现出降低—增加—降低的趋势。护巷煤柱宽度从4m

提升至8m时，巷道围岩变形量显著减小；

煤柱宽度从8m增加到20m区间时，巷道围岩变形量呈现出

缓慢增加的趋势；

煤柱宽度从20m增加到28m时，巷道围岩变形量显现降低。

煤柱宽度在4~12m区间时，巷道围岩变形以煤柱帮内移为主，顶底板变形次

2019年第5期黄贵庭：矿井煤柱的合理确定与巷道支护技术研究·111·

之，实体煤帮变形量最小；煤柱宽度大于12~24m

时，巷道围岩变形以顶底板变形为主，煤柱帮次之，

实体煤侧较小；煤柱宽度大于24m时，巷道基本不

受到临近的采空区影响，巷道围岩变形量小，仅在巷

道周边浅部岩层中出现破坏。

综合分析巷道周边应力分布、塑性区分布以及

巷道围岩变形数据，在煤柱宽度为8m时，围岩的受

力环境以及巷道的变形量均处于较好状态。因此，将

ZF306巷道支护回采工作分析

面护巷煤柱宽度设定为8m。3巷道顶部采用锚杆（索）

配合钢筋梯子梁支护，顶板布置4根椎18mm×2000mm螺纹钢锚杆，顶

板两端锚杆与顶板夹角均为75°布置，

另外2根锚杆与顶板垂直布置，间排距800mm×800mm，锚杆

预紧力矩不小于150N·m，布置2根规格椎17.8mm×5300mm锚索，间排距1600mm×1600mm。采用4根椎18mm×2000mm玻璃钢锚杆支护，间排距800mm×900mm，顶部锚杆距离顶板200mm，并向上倾斜15°，底部锚杆距离底板距离为500mm，并向下倾斜15°，中间锚杆与巷帮煤壁90°。

采用4根椎18mm×2000mm玻璃钢锚杆支护，间排距800mm×900mm，顶部锚杆距离顶板200mm，并向上倾斜15°，底部锚杆距离底板距离为500mm，并向下倾斜15°，中间锚杆与巷帮煤壁垂直。

在ZF306回采工作面运输巷掘进施工期间，

在巷道周边布置测单点，对巷道围岩变形进行持续监测，在顶板距离煤柱300mm位置布置1号测点，在顶板距离护巷煤柱2800mm位置布置2号顶板测点，在煤柱帮以及实体煤帮中部分别布置监测测点。

监测数据如图3所示，

从图3中可以看出，巷道掘进40d后巷道围岩变形趋于稳定。煤柱侧顶板最大变形量在46mm，实体煤帮最大变形量值在16mm，煤柱帮最大变形量值在33mm，采用8m的护巷煤柱以及上述支护参数可以有效地保证巷道周边岩层稳定，围岩控制效果明显。

锚椎17.8索桁×架（8锚300索）钻孔深度=8000

椎17.8锚索×桁8架300钻孔深度=7000

椎17.8锚索×桁8架300钻孔深度=700020°15°

螺纹钢锚杆1600

16001600800250

椎20×2500圆椎18钢×锚2杆000

2000

2200

140015°螺实煤椎20纹×钢2锚500

杆体桁架连接器柱煤帮

帮

15°5600

450

图3巷道支护示意图（单位：mm）

504030201号顶板测点102号顶板测点煤柱帮测点实体帮测点0

010203040506070巷道掘出时间/d

图3围岩变形监测数据

4

结论

莒山煤矿ZF306工作面通过使用数字模拟分析

技术对巷道煤帮的模拟技术分析，

得出以下结论：1）随着护巷煤柱宽度的变化，

巷道周边岩层垂直应力峰值位置从实体煤深部→实体煤浅部→煤柱→远离巷道转移；

2）莒山矿ZF306回采工作面运输顺槽护巷煤柱合理宽度为8m，可有效保证巷道和围岩的稳定性；

3）对地质情况相似的综放工作面煤柱留设及围岩控制具有指导作用。参考文献

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初艳鹏，孟海军，陈俊民.护帮煤柱合理宽度留设的理论分析与实践[J].矿业安全与环保，2013（1）：85-87.

（编辑：贾娟）（下转第146页）

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第34卷

20151052-5-10-1502468正常情况N=15N=10N=5N=240003000200010000-1000-2000-3000-4000N=15N=10N=5N=2正常情况1012时间/ms

14151820-5000024681012时间/ms141618205-1短路电流随时间变化曲线5-1短路电流变化率随时间变化曲线

图5相位角为零时短路电流及其变化率随时间变化的曲线

有效地解决了矿井困扰多时电缆故障维修的不足，

难题。

参考文献

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（编辑：王慧芳）

DetectingMethodandSimulationofShortCircuitFaultof

UndergroundCable

WangHebing

（ShanxiLu'anGroupYuwuCoalIndustryCompany,ChangzhiShanxi046100）

Abstract:Inordertoimprovetheaccuracyandtimelinessofcableshortcircuitdetectionincoalmine,thecurrenteffectivevaluedetectionmethod,phasesensitiveshortcircuitdetectionmethod,currentinstantaneousvaluedetectionmethodandcurrentchangeratedetectionmethodareanalyzedrespectively.Thedetectionmethodofcurrentchangeratemeetstherequirementsofshortcircuitfaultdetectionofcable.TheMATLABsoftwareisusedtosimulateandanalyzethedetectionofshortcircuitfaultofcablewiththerateofcurrentchange.Thesimulationresultsshowthattheaccuracyofdetectingshortcircuitfaultofcablewiththerateofelectriccurrentchangeishigh,thetimeusedisshort,andtheeffectisideal.

Keywords:simulation;cable;shortcircuit;faultdetectionmethod

（上接第111页）

RationalDeterminationofCoalPillarandRoadwaySupport

TechnologyinMine

HuangGuiting

（ShanxiOrchidCoalIndustryGroupCo.,Ltd.,JinchengShanxi048000）

Abstract:TakingZF306workingfaceofJushanCoalMineastheengineeringbackground,thestress,plasticzoneanddeformationofsurroundingrockofroadwayunderdifferentcoalpillarwidthareanalyzedbynumericalsimulationtechnique.Theresultsshowthatthestressanddeformationofthesurroundingrockstrataareinagoodstatewhenthecoalpillaris8m.Infieldpractice,8mcoalpillarisusedtoprotectroadwayandoptimizeroadwaysupportingparameters.Theapplicationpracticeshowsthatthemaximumdeformationvalueofsurroundingrockofroadwayis46mm,whichcansatisfythesafetyandhighefficiencyofmininginfullymechanizedcavingface,andincreasetherecoveryrateofresources.

Keywords:coalpillar;fullymechanizedtopcoalcaving;numericalsimulation