大埋深矿井合理大巷位置及煤柱尺寸研究研究报告.doc

大埋深矿井合理大巷位置及煤柱尺寸研究研究报告梁宝寺能源有限责任公司山东科技大学二一一年十二月目 录1 概况11.1 井田概况11.2 3100采区及3106工作面概况21.3 3200采区及3206工作面概况61.4 3300采区及3301工作面概况101.5 3400采区及3406工作面概况142 合理煤柱留设分析212.1 煤柱稳定性分区212.2 煤柱破坏显现特征222.3 影响煤柱留设因素233 数值模拟283.1 数值模拟理论基础283.2 数值模拟研究364 实测研究964.1 矿压观测理论分析964.2 支承压力观测与分析974.3 大巷变形破坏情况1134.4 大巷变形破坏分析1215 煤柱合理尺寸确定1275.1 煤柱稳定等级语义描述1275.2 采区大巷煤柱留设分析1285.3 工作面停采线护巷煤柱留设分析1335.4 煤柱留设影响因素及权重确定1375.5 煤柱合理留设尺寸确定1406 结论1431 概况1.1 井田概况梁宝寺矿井位于山东省西南部嘉祥县城西北约20km，行政区划属嘉祥县梁宝寺镇。其矿区范围东起f1断层，西至f13断层，北至9、10、11矿区拐点坐标，南至奥陶系灰岩顶界露头；南北长约11km，东西宽约9km，面积95.2731km2。地理座标为东经1161011617，北纬35323538。图1.1 梁宝寺煤矿交通位置图本区交通方便，兖（州）新（乡）铁路经井田南部从嘉祥县城通过。该铁路从嘉祥县城向东56km至兖州，与京沪线相连；向西259km经菏泽至新乡与京广线接轨。京九铁路从井田西南部的菏泽经过。南部济宁机场已开航，可直达北京、广州等地。区内有公路直达梁山、郓城、巨野、嘉祥、济宁等城市。另有京杭运河从井田东侧通过，煤可以通过水运到达苏南地区。1.2 3100采区及3106工作面概况1.2.1 3100采区概况3100采区（一采区）是梁宝寺煤矿建井投产第一个采区，该一采区位于工业场地西南，采区东西走向长3.6km，南北倾斜宽约2.4km，面积8.64km2，含煤1层，煤层倾角212，一般10以下，煤层厚度1.075.94m，采区地质储量2441.4万吨，工业储量1774.31t万吨，可采储量1685.60t万吨，采区东翼构造较复杂，西翼构造稍简单，采区地面村庄11个，采区3上煤层以中厚为主，局部较薄，断层走向以东西为主，宽缓褶曲发育，适宜综采生产。根据采区煤层赋存特点及构造特征，采区巷道布置采用走向长壁采煤法的采区巷道系统布置。沿采区中部布置一组（三条）上山，分别为轨道、胶带运输机及专用回风上山。上山间距35m，上山两侧各留70m煤柱，考虑到辅助运输要求，轨道上山沿3上煤层底板布置，胶带运输上山及回风上山沿煤层布置。沿走向布置工作面顺槽，顺槽与上山之间采用中部车场、联络斜巷等方式联络。1.2.2 3106工作面概况1.2.2.1 工作面位置及井上下关系3106综采工作面位于3煤层-708水平，属于3100采区工作面；地面标高+37.3+39.7m，井下标高-580.9-625.9m；该面走向长度905m，倾向长度80m，面积共计72400m2。该面地表位于该面位于3100采区西翼上部，北距工业广场约1108m，工作面范围内地面无村庄，但工作面的东北有方道沟、赵庙村，东南有北庞庄村，南部有邓庄村，西北有赵庄。地面有1条通讯线、1条梁宝寺矿区铁路专用线通过。该工作面井下位于3100采区上山西翼。北距正在回采的3110工作面120m，南距正在掘进中的3104工作面61m，东至3100轨道上山保护煤柱线，西至3200回风上山保护煤柱线。该面全部在方道沟村保护煤柱内，部分在赵庄、北庞庄、邓庄村保护煤柱内。四邻采掘情况：该面东部有3100皮带、轨道及回风上山，西部有3200皮带、轨道及回风上山，北部为正在回采的3110工作面，南部为正在掘进的3104工作面。据该采区已有的地面观测资料，采用条带法开采时目前地面最大下沉值为650mm。该工作面的回采将会对地面上的方道沟村、赵庄、北庞庄、邓庄村的民房及梁宝寺矿区铁路专用线造成不同程度的沉降破坏。3301工作面位置如图1.2所示。1.2.2.2 工作面煤层及顶底板情况3301工作面煤层厚度3.33.9m，平均3.5m，煤层结构简单，煤层倾角在59之间，平均7，煤层普氏硬度系数f=1.8。基本顶：细砂岩，厚度2.2m，灰色，成份以石英为主，长石次之，含少量暗色矿物，泥质胶结，裂隙稍发育，充填方解石及黄铁矿，含植物碎屑化石。直接顶：粉砂岩，厚度1.17m，深灰色平坦状断口，裂隙稍发育，充填方解石及黄铁矿。直接底：粉砂岩，厚度4.6m，深灰色，平坦状断口，含黄铁矿及植物碎屑化石。基本底：细砂岩，厚度21.06m，灰白色浅灰色，成分以石英为主，长石次之，含少量暗色矿物，泥质胶结，交错层理，方解石及黄铁矿充填。1.2.2.3 工作面地质构造（1）断层情况本工作面断层对工作面回采影响很小，断层情况见表1.1。（2）褶曲情况据物探资料，该工作面位于王庄向斜盆地西翼，煤岩层主要为向东倾伏的褶曲构造。该面煤岩层走向变化较大，倾角714，平均11。工作面里切眼以北073m处3煤层出现分岔，实际揭露3上、3下煤层最大间距10.5 m，煤层最薄0.8m。面内断层发育，巷道实际揭露的断层共23条，断层走向以北西和近东西向为主，无陷落柱、古河流冲刷等地质现象。表1.1 巷道揭露断层表构造名称走向（）倾向（）倾角（）性质落差（m）对回采的影响程度df843430465正断层13无影响f12029065正断层1.4影响小f217826860正断层1影响小f310019085正断层3影响小df83343044575正断层12.5影响小f46933965正断层1影响小f58235260正断层1.8影响小1.2.2.4 工作面其它概况（1）水文地质情况影响3106工作面回采的含水层主要有3（3上）煤层顶、底板砂岩裂隙含水层和三灰岩溶裂隙含水层及断层水。依据一采区已有巷道揭露及井下钻孔资料证实，矿井浅部煤层顶板砂岩水富水性较强，水量较大，目前3煤顶板砂岩的最大出水量为60m3/h，底板砂岩的最大出水量为20m3/h，三灰的最大出水量为30m3/h。现工作面顶板砂岩水放水量水量为25m3/h，生产用水预计为30m3/h，以此预计该面的正常涌水量为135m3/h，最大涌水量为165m3/h。（2）瓦斯情况绝对涌出量：ch4：1.5m3/min，co2：1.0m3/min，属低瓦斯煤层。（3）煤尘情况具有爆炸危险性，爆炸指数44.54。（4）煤的自燃情况属一类易自燃煤层。（5）地温情况地温为22，地温梯度为0.99/100m，对回采无影响。图1.2 3106工作面井下位置1.3 3200采区及3206工作面概况1.3.1 3200采区概况3200采区（二采区）是梁宝寺煤矿建井投产第二个采区，该采区位于工业场地西南，采区东西走向长3.6km，南北倾斜宽约2.4km，面积8.64km2，含煤1层，煤层倾角212，一般10以下，煤层厚度1.075.94m，采区地质储量2441.4万吨，工业储量1548.6万吨，可采储量1161.4万吨，采区东翼构造较复杂，西翼构造稍简单，采区地面村庄11个，采区3上煤层以中厚为主，局部较薄，断层走向以东西为主，宽缓褶曲发育，适宜综采生产。根据采区煤层赋存特点及构造特征，采区巷道布置采用走向长壁采煤法的采区巷道系统布置。沿采区中部布置一组（四条）上山，分别为轨道、胶带运输机及专用回风、专用进风上山。上山间距35m，上山两侧各留70m煤柱，考虑到辅助运输要求，轨道上山沿3煤层底板布置，皮带运输上山及回风上山沿煤层布置。沿走向布置工作面顺槽，顺槽与上山之间采用中部车场、联络斜巷等方式联络。1.3.2 3206工作面概况1.3.2.1 工作面位置及井上下关系3206综采工作面是3200采区3煤层综采工作面。3206工作面以上为3204工作面、以下为3208工作面，该两个工作面已回采完毕，致使3206工作面形成孤岛工作面。3206工作面地面标高+37.02+40.76m；工作面标高-627.9-679.4m。工作面走向长度为12661275m，平均1271m；倾向长度为103m；面积为130913m2。该面地表位于矿工业广场西南900m，工作面切眼上方为闫庄和申庄村，工作面东北240m有赵庄村，工作面以北有邵楼村。另有1条低压线、1条通信线在该面上方穿过。该工作面井下位于3200上山西翼。该面东部在赵庄村煤柱内，西部在邵楼申庄、阎庄煤柱内。四邻采掘情况：以北4m为3208工作面采空区，以南4m为3204工作面采空区，以东为3200采区轨道上山、皮带上山、回风上山和进风上山，以西尚无采掘工程。该面大部在阎庄、申庄、邵楼、赵庄保护煤柱内，地表绝大部分为农田。预计阎庄、申庄、邵楼、赵庄四个村庄在工作面回采前搬出。该工作面的回采将对部分农田造成不同程度的沉降影响。1.3.2.2 工作面煤层及顶底板概况3206工作面3上煤层为气煤，煤层厚度2.13.9m，平均3.0m。工作面自东向西煤层厚度逐渐变薄，煤层倾角413，平均7。基本顶：中砂岩，厚度1.214.7m，平均8.0m，灰白色，以石英为主、长石次之，含少量暗色矿物，泥质胶结，裂隙稍发育，充填黄铁矿及方解石，含植物碎屑化石。直接顶：粉砂岩，厚度03.0m，平均1.2m，深灰色，平坦状断口，裂隙稍发育，充填黄铁矿及方解石。工作面范围由外向里逐渐变薄。直接底：泥岩，厚度1.53.1m，平均2.3m，灰黑色，块状，下部夹粉砂岩，平坦状断口，上部含植物根化石。基本底：粉砂岩，厚度平均9.7m，深灰色，平坦状断口，含黄铁矿及植物碎屑化石。1.3.2.3 工作面地质构造根据工作面上下两巷实际揭露和物探资料，该工作面构造以褶曲为主，自东向西依次为：梁宝寺向斜、黄河李背斜、申庄向斜。梁宝寺向斜轴向21，东南翼煤岩层走向约66，倾向约336；西北翼煤岩层走向约136，倾向约46；黄河李背斜轴向12，东南翼煤岩层走向约136，倾向约46；西北翼煤岩层走向约238，倾向约328；申庄向斜轴向2， 东翼煤岩层走向约73，倾向约343；西翼煤岩层走向约109，倾向约19。煤层倾角413，平均7。巷道实际揭露断层共9条，详见表1.2。1.3.2.4 工作面其它概况（1）水文地质情况影响该面回采的含水层主要有3上煤层顶、底板砂岩裂隙含水层和3上煤层底板三灰岩溶裂隙含水层。预计3206工作面回采期间只存在少量顶板淋水，主要充水水源为生产用水，根据相邻3204、3208工作面水文地质条件及涌水量情况综合分析，预计该面正常涌水量为30m3/h，最大涌水量为50m3/h。（2）瓦斯情况绝对涌出量：ch4：0.66m3/min，co2：0.63m3/min，属低瓦斯煤层。（3）煤尘情况具有爆炸危险性，爆炸指数44.54%。（4）煤体自燃情况属容易自燃煤层。（5）地温情况地温为22，地温梯度为0.99/100m。（6）地压3206工作面轨、皮顺掘进过程中，矿压大，有“煤炮”出现。表1.2 3206工作面实际揭露断层表构造名称走向/倾向/倾角/性质落差（m）对回采影响程度f1628015217030逆断层3.04.0无影响f29318360正断层1.2影响小f3621524055正断层3.0影响大f41210270正断层1.0影响小f5212914070正断层1.24.5影响大f62529560正断层1.5影响小f71910970正断层4.5影响大f81782685070正断层2.05.0影响大f917526550正断层2.0影响小图1.2 3206工作面位置示意图1.4 3300采区及3301工作面概况3300采区位于-708水平北翼；采区东至f1、f1-1断层上盘防水煤柱线及井田边界煤柱线，南至f8、f10断层上盘断煤交线及矿工业广场保护煤柱线，西至a（3936790.3，20429147.3）点与c（3935420.9.，20429147.3）点的连线及矿工业广场保护煤柱线，北至f7、df40断层上盘断煤交线。采区开采上限标高-510m，开采下限标高-1060m，地面标高+37.88m+39.98m。1.4.1 3300采区煤岩层概况3300采区位于3（3上）煤层，赋存稳定；煤层厚度2.718.0m，平均4.9m；煤层倾角131，平均15，东部由于受边界f1断层影响，倾角较大。采区中、西部为3煤合并区，局部仅发育3上煤。基本顶：中细砂岩，厚度19.89m，灰深灰色，以石英、长石为主，泥质、钙质胶结，裂隙较发育，富水性不均一。直接顶：泥岩、粉砂岩、中砂岩，厚度4.89m，深灰色，泥质胶结，含植物化石。直接底：泥岩、粉砂岩，厚度9.04m，深灰色，泥质胶结，上部含炭质。基本底：中、细砂岩，厚度19.1m，4灰灰白色，以石英、长石为主，泥质、孔隙式胶结，裂隙较发育，富水性不均一。本采区3（3上）煤层顶底板岩性及厚度变化较大，顶板中细砂岩南部较北部厚，直接顶南部以泥岩为主，北部以粉砂岩主、局部为中砂岩。3（3上）煤底板以泥岩或炭质泥岩为主，西北以粉砂岩为主，中细砂岩东部较西部厚。1.4.2 3300采区地质构造概况依据地面三维物探资料，本采区煤（岩）层以褶曲为主，断层较发育，从东向西依次发育了王庄向斜盆地和南宋庄背斜，断层以北东向和北西向为主，南北向次之。王庄向斜盆地的中心位于采区中部，且盆地中心及边界断层f1附近断层较发育。受f1断层的影响，构造盆地东侧煤（岩）层倾角较大，为1331，平均21；西侧倾角较小，为115，平均9。南宋庄背斜的轴部位于钻孔l42至l52一线，两翼岩层倾角平缓，为17，走向ne至sn，物探查明的落差5m以上的断层共54条，其中：落差100m以上的断层3条（f1、f1-1、f10），落差50100m的断层3条（f8、df60、f44），落差3050m的断层5条（df40、df229、df50、f7、df45），落差1030m的断层20条，落差510m的断层23条，还有落差小于5m断层未统计。燕山运动晚期，岩浆岩从井田东部侵入，本采区侵入层位为16煤。1.4.3 3300采区其它概况（1）涌水量情况在本采区北部l12-3钻孔3煤层瓦斯含量异常，达5.315cm3/g燃，高于其它钻孔（均小于2cm3/g燃），以该孔为为中心，半径约1.3km的范围为瓦斯富集区（梁宝寺矿井初步设计安全地专篇说明书），本采区异常区位于df168断层西北，纬线3937000北部，约1.87km2。我矿2009年瓦斯相对涌出量：1.68m3/t，绝对涌出量:8.67m3/min，但在局部，特别是断层和综放工作面瓦斯有集中涌出现象，掘进工作面中在正常供风条件下，回风流中瓦斯浓度最高达0.5，3107综放工作面回风隅角瓦斯浓度最高达1.5。（2）瓦斯情况梁宝寺煤矿2009年瓦斯相对涌出量：1.68m3/t，绝对涌出量：8.67m3/min，但在局部，特别是断层和综放工作面瓦斯有集中涌出现象，掘进工作面中在正常供风条件下，回风流中瓦斯浓度最高达0.5%，3107综放工作面回风隅角瓦斯浓度最高达1.5%。（3）煤炭自燃及爆炸情况煤尘具有爆炸性，爆炸指数为44.54%自燃属一类容易自燃煤层，煤层发火期为36个月。3107综放工作面在推采过程中回风隅角co浓度曾达到158ppm。采空区已出现高温火点。（4）地温情况地温2326，地温梯度：0.99/100m（5）储量情况埋藏量为4620.6万吨，可采量为3121.0万吨。1.4.4 3301工作面概况1.4.4.1 工作面位置及井上下关系3301综放工作面位于3煤层-708水平，是东翼3300采区第三个3煤层综采放顶煤工作面；地面标高+38.07+38.68m，井下标高-899-936m；该面向长度12901282m，平均1286m，倾向长度100，面积共计128600m2。该面地表位于工业广场保护煤柱以东20m。以西地面有邴庄村；以东有王庄村；以南为宋庄村；面中部有高庄村；北部有北张村和梁宝寺二中。济梁公路和进矿公路从该面上方通过。另有5条高压线、3条低压线、4条通信线在该面上方穿过。该面井下位于3300采区轨道大巷北翼。四邻采掘情况：以南有3300轨道、皮带、回风大巷；以东160m为已回采完的3305工作面；北至3上、3下煤层分岔合并线；以西为3304工作面，尚未掘进。该面大部在高庄村、北张村保护煤柱内，局部在邴庄村、梁宝寺二中煤柱内，地表绝大部分为农田，另有济梁公路从该面北部上方通过。该工作面的回采将会对地面的高庄村、北张村、邴庄村、梁宝寺二中部分民房造成沉降影响，影响级别在范围内，并对部分农田、济梁公路、进矿公路供电及通讯线路造成不同程度的沉降影响。3301工作面位置如图1.3所示。1.4.4.2 工作面煤层及顶底板情况3301工作面煤层厚度5.07.2m，平均6.5m，煤层结构较简单，煤层倾角在714之间，平均11，煤层普氏硬度系数f=1.8。基本顶：中砂岩，厚度13.1m，灰白色，成分以石英、长石为主，含少量云母硅质胶结，分选好，水平缓波状层理，裂隙少许方解石充填，含少量植物茎叶碎片化石。直接顶：粉砂岩，厚度2.1m，深灰色，泥质结构，平坦状断口，含少量植物茎叶化石，偶见滑面，局部含大量的黄铁矿晶体。直接底：粉砂岩，厚度3.8m，深灰色，具水平层理，断口平坦状，具直立裂隙，上部含丰富的植物根化石，下部含植物碎屑化石。基本底：细砂岩，厚度5.9m，深灰色，平行层理及水平波状层理均发育，斜裂隙较发育，未充填，局部含菱铁质结核，具少量植物碎屑化石。图1.3 3301工作面井下位置1.4.4.3 工作面地质构造据物探资料，该工作面位于王庄向斜盆地西翼，煤岩层主要为向东倾伏的褶曲构造。该面煤岩层走向变化较大，倾角714，平均11。工作面里切眼以北073m处3煤层出现分岔，实际揭露3上、3下煤层最大间距10.5 m，煤层最薄0.8m。面内断层发育，巷道实际揭露的断层共23条，断层走向以北西和近东西向为主，无陷落柱、古河流冲刷等地质现象。1.4.4.4 工作面其它概况（1）水文地质情况影响该面回采的含水层主要有3煤层顶、底板砂岩裂隙含水层和3煤层底板三灰岩溶裂隙含水层。据相邻3305、3309工作面水文地质条件及相邻采区已回采工作面涌水量情况综合分析，预计该面正常涌水量为40m3/h，最大涌水量为70m3/h。（2）瓦斯情况绝对涌出量：ch4：1.79m3/min，co2：1.43m3/min，属低瓦斯煤层。（3）煤尘情况具有爆炸危险性，爆炸指数44.54。（4）煤的自燃情况属容易自燃煤层。（5）地温情况地温为22，地温梯度为0.99/100m。（6）地压情况3301、3305、3309工作面掘进过程中，矿压大，有“煤炮”出现。1.5 3400采区及3406工作面概况3400采区位于-708水平北翼；采区东至b（3937673.7，20428794.8）、a（3936790.3，20429147.3）点与c（3935420.9.，20429147.3）点的连线及矿工业广场保护煤柱线，南至f（3934806.8，20422580.9）、g（3934590.2，20428783.6）点与h（3934580.1，20428818.1）点的连线，西至井田边界煤柱线，北至e（3936657.8，20422698.5）点与d（3936710.1，20426392.8）点的连线及f36断层上盘防水煤柱线。采区开采上限标高-550m，开采下限标高-900m，地面标高+38.23m+39.85m。1.5.1 3400采区煤岩层概况3400采区位于3（3上）煤层，煤层厚度010.3m，平均5.0m；煤层倾角218，平均10；本采区总面积13.7km2，其中西部冲刷区面积5.2km2，3煤层厚度大于0.7m的含煤区域面积为8.5km2；在采区东部含煤区域，自西向东煤层逐渐变厚，且煤层厚度变化较大，发育四个3煤层异常带，3上、3下煤层合并区在采区的东北部，分叉区在采区的中部。基本顶：中细砂岩，厚度13.88m，浅灰灰白色，钙质胶结，裂隙较发育，局部为粗砂岩。f=7.68.4。直接顶：粉砂岩、泥岩、中砂岩，厚度3.39m，深灰色，裂隙稍发育含植物化石。局部为泥岩或中砂岩。f=2.38.4。直接顶：粉砂岩，厚度5.00m，深灰色，含植物根部化石及菱铁质结核。局部为泥岩。f=2.33.8。基本底：中细砂岩，厚度11.65m，灰白浅灰色，泥质及钙质胶结，裂隙发育，局部为粉砂岩。f=7.68.4。本采区煤层顶板岩性及厚度变化较大，东部顶板多为粉砂岩，向西由于受冲刷作用的影响逐步变为中、细砂岩，且顶板中、细砂岩的厚度向西部逐渐加厚。1.5.2 3400采区地质构造概况依据地面三维物探资料，本采区东部含煤区煤（岩）层以宽缓的褶曲为主，断层较发育。自东至西有梁宝寺向斜、黄河李背斜、申庄向斜、武寨背斜、杜垓向斜、李庄背斜。煤（岩）层倾角218，平均10；断层以ne和nw向为主sn和ew走向次之，落差5m以上的断层共59条。采区西部为冲刷区，燕山运动晚期，岩浆岩从井田东部侵入，本采区侵入层位为16煤，造成16煤层局部被吞蚀。采区西部3煤为冲刷区，冲刷区面积为5.2km2，冲刷区内局部含煤，但分布孤立。三维物探表明该采区未发现岩溶陷落柱。（1）褶曲情况 梁宝寺向斜：位于本采区的东部，经曹铺、曹垓、南张向北延伸，走向nenw，向北倾伏，两翼倾角510。为矿井的主要向斜。3216、3212面及二、四采区三维物探控制。 黄河李背斜：位于本采区的南部，轴部位于黄河李村，走向nee，向北倾伏，两翼倾角511。在本采区内延展长度1000m。3228面控制。 申庄向斜：位于本采区的南部，向北延伸与梁宝寺向斜合并，走向ne，向北倾伏，两翼倾角512。二、四采区三维物探控制。 武寨背斜：位于本采区的中部，经孙垓、苏庄向北延伸，走向nesn，向北东倾伏，两翼倾角518。四采区三维物探控制。 杜垓向斜：位于本采区的西部，经杜垓、老僧堂向北延伸，走向近ns，向北倾伏，两翼倾角518。四、八采区三维物探控制。 李庄背斜：位于本采区的西部，走向近ns，向北倾伏，两翼倾角518。四、八采区三维物探控制。（2）断层情况据三维物探资料，本区发现的断层均为正断层，落差5m以上的断层共59条，其中：落差大于100m的断层有1条（西边界断层f13）；落差50100m的断层有1条（f21）；落差3050m的断层有3条（f22、f25、f36）；落差1030m的断层有22条，落差510m的断层有33条，落差小于5m的断层未统计（根据三维物探断点）。断层以ne向为主，nw和近ew向次之，影响工作面布置的断层主要为f19、f21、f22、df106、df111等。1.5.3 3400采区其它概况（1）涌水量情况目前矿井正常涌水量为200m3/h，3100采区涌水量为12m3/h，3200采区涌水量为80m3/h，3300采区涌水量为52m3/h，3400采区涌水量为26m3/h，三灰水量40m3/h，3煤顶底板砂岩160m3/h。预计3400采区3煤顶、底板砂岩疏放水量为116m3/h，生产用水及灌浆回水为40m3/h。预计正常涌水最为156m3/h。最大涌水量为279m3/h。（2）瓦斯情况在本采区北部l12-3钻孔3煤层瓦斯含量异常，达5.315cm3/g燃，高于其它钻孔（均小于2cm3/g燃），以该孔为为中心，半径约1.3km的范围为瓦斯富集区，本采区异常区位于df168断层西北，纬线3937000北部，约1.87km2。我矿2009年瓦斯相对涌出量：1.68m3/t，绝对涌出量：8.67m3/min，但在局部，特别是断层和综放工作面瓦斯有集中涌出现象，掘进工作面中在正常供风条件下，回风流中瓦斯浓度最高达0.5，3107综放工作面回风隅角瓦斯浓度最高达1.5。（3）煤炭自燃及爆炸情况煤尘具有爆炸性，爆炸指数为44.54%自燃属一类容易自燃煤层，煤层发火期为36个月。3107综放工作面在推采过程中回风隅角co浓度曾达到158ppm。采空区已出现高温火点。（4）地温情况地温2326，地温梯度：0.99/100m（5）储量情况埋藏量为4915.6万吨，可采量为3211.0万吨。1.5.4 3406工作面概况1.5.4.1 工作面位置及井上下关系3406综采、综放工作面位于3煤层-708m水平，为3400采区工作面；地面标高+38.1+39.5m，井下标高-714.4-840.0m；该面综采区段走向长度359m，倾向长度100m，面积共计35900m2；该面综放区段走向长度490.5m，倾向长度100m，面积共计49050m2。该面地表位于工业广场西北约940m，工作面范围内地面以南为黄河李村，东北为曹垓村、桑科集村。工作面西部地面有赵王河穿过，另有一条低压线和一条高压线穿过。该工作面为3400采区第一个回采工作面，井下位于3400采区东翼。3406（里）工作面已回采396m，从原设计停采线向外为3406（外）工作面。该面绝大部分在黄河李村、曹铺村、曹垓村及桑科集村保护煤柱内。四邻采掘情况：以南为3400回风大巷、3400皮带大巷及正在掘进中的3400轨道大巷，东南为正在掘进中的3404轨道顺槽，西北为正在掘进中的3408轨道顺槽，以东为三、四采区边界。该面绝大部分在黄河李村、曹铺村、曹垓村保护煤柱内，局部在孙刘庄村保护煤柱内，地表绝大部分为农田，工作面西部地面有赵王河穿过。该工作面的回采将会对地面的黄河李村、曹铺村、曹垓村、桑科集村和孙刘庄村部分民房造成沉降破坏，并对部分农田、供电及通讯线路造成不同程度的沉降影响。图1.4是3406工作面井下位置图。1.5.4.2 工作面煤层及顶底板情况该面3（3上）煤为气煤，总厚度2.010.3m，平均5.2m，煤层厚度变化较大，煤层倾角在315之间，平均10，煤层普氏硬度系数f=1.8。工作面中部外切眼附近3下煤冲刷，在l6-5钻孔附近3上、3下煤合并。3（3上）煤为低灰、特低硫、特低磷、高挥发份、高发热量、富油、中等粘结性的气煤。基本顶：中粉砂岩，厚度17.2m，中砂岩为灰白色，成分以石英为主，长石次之，分选中等，泥质胶结，具斜层理。粉砂岩为灰色，平坦状断口，含黄铁矿及植物碎屑化石，夹细砂岩薄层。直接顶：粉砂岩，2.3810.1m，平均厚度7.04m，灰色，平坦状断口，含黄铁矿及植物碎屑化石，夹细砂岩薄层。直接底：粉砂岩，厚度1.06.0m，平均厚度3.5m，深灰色，平坦状断口，含植物根化石。基本底：中砂岩，厚度11.84m，浅灰、灰白色，成分以石英为主，岩屑、长石次之，含少量暗色矿物，分选好，次棱角状，泥质空隙 接触式胶结，具水平及波状层理，上部裂隙稍发育，且充填方解石，局部含少量植物碎片化石，并夹亮煤条带。1.5.4.3 工作面地质构造（1）断层情况以及对回采的影响面内断层较发育，巷道实际揭露的断层共20条，断层走向以北西、北东和近东西向为主。（2）褶曲情况以及回采的影响根据物探资料，该面煤岩层总体为一向北倾伏的宽缓背斜（黄河李背斜），背斜轴位于工作面中部；西北翼煤岩层走向约106，倾向约16；东南翼煤岩层走向约82，倾向约352；煤层倾角315，平均10。面内断层发育，巷道实际揭露的断层共20条，断层走向以北西、北东和近东西向为主。（3）其它因素对回采的影响：工作面在掘进过程中没有发现陷落柱、古河流冲刷等地质现象。图1.4 3406工作面井下位置图1.5.4.4 工作面其他情况（1）水文地质概况影响该面回采的含水层主要有3（3上）煤顶、底板砂岩裂隙含水层和3（3上）煤底板三灰岩溶裂隙含水层。根据3406工作面水文地质条件及3406（外）综放、综采工作面涌水量情况综合分析，预计该面正常涌水量为50m3/h，最大涌水量为30m3/h。（2）瓦斯：绝对涌出量ch4：0.44m3/min，属低瓦斯煤层。（3）煤（矿）尘具有爆炸危险性，爆炸指数44.54。（4）二氧化碳绝对涌出量：0.59m3/min（5）煤的自燃属一类易自燃煤层。（6）地温地温为22，地温梯度为0.99/100m。22 煤柱破坏特征及影响因素分析2.1 煤柱稳定性分区煤炭开采过程中，由于断层、构造及边界隔离等原因，或多或少会留有一些保护煤柱，如断层保护煤柱、大巷之间煤柱、工作面停采线保护煤柱等。煤柱的留设，尤其是煤柱宽度对巷道的稳定性和最大限度减少资源浪费具有重要影响。图2.1 煤柱垂直应力“马鞍形”分布图图2.2 煤柱支承压力分布图2.1是煤柱垂直应力分布图，图2.2是煤柱支承压力分布。如图2.2所示，在回采或掘进巷道时，在煤柱边缘会出现数倍于h（原始应力）的应力集中，而在边缘处，煤柱抗压强度一般较低，使得边缘部分遭到不同程度的破坏，集中应力向煤柱深部转移，当煤柱的承载强度与支承压力达到极限平衡时，煤柱才处于稳定状态，该状态可分为3个区：为破裂区，也称卸载区；为应力增高区，承受高于原岩应力的荷载，和区统称为塑性区；为弹性区。护巷煤柱保持稳定性宽度lm为： （2.1）式中：r巷道周边煤层的塑性区宽，m；x0采空区周边煤层的塑性区宽，m；l煤柱中部弹性区宽度，l=l1+l2，m。煤柱稳定性取决于煤柱中部弹性区域的存在与和宽度，煤柱应力曲线根据应力叠加情况分为分为独峰型、马鞍型和双峰型。独峰型应力曲线是应力完全叠加的情况，峰值应力大（比单个峰值应力大），煤柱极不稳定；马鞍形应力曲线鞍部应力小于单个峰值应力，煤柱稳定性随鞍部应力的减小和原始应力区域的增大而增大；双峰型应力曲线是煤柱两侧应力互不影响且相距较远时的曲线形式，该情况下煤柱稳定。2.2 煤柱破坏显现特征煤柱的稳定性和破坏主要表现在划分煤柱的左右巷道和采空区的稳定性和破坏。从整体上说，煤柱及其巷道破坏的显现特征分两大类：一类是动压型，煤柱及巷道上覆岩层正处于剧烈运动和破坏阶段，如：工作面采动和巷道掘进造成的扰动；另一类是静压型，煤柱及其巷道尚未受采掘影响或采掘影响已停息，上覆岩层处于稳定状态。2.2.1 静压型煤柱破坏静压型煤柱破坏大致有2种形式：（1）煤柱巷道开掘后产生的周边应力大于围岩强度，掘进后还来不及进行支护致使煤柱巷道片帮、冒落；（2）煤柱巷道开掘后产生的周边应力小于围岩强度，巷道完整，但随着时间推移煤柱及巷道逐渐变形破坏。静压型煤柱破坏是一个长期的过程，它贯穿在着煤柱的整个过程，直至煤柱达到应力平衡。2.2.2 动压型煤柱巷道破坏动压型煤柱巷道分动压下正在掘进的煤柱巷道和动压下正在使用的煤柱巷道。它们不仅受上覆岩层的静压作用，同时又受支承压力及岩层扰动。动压型煤柱破坏按程度划分，其特征为：（1）煤柱围岩（支护）强度小于上部覆岩应力和侧向支承应力作用，随采掘呈层状剥落，但移近量并不明显；（2）受采掘影响，围岩产生大量缩变，但不冒落；（3）在采掘过程中，伴随着移近量增加，煤柱巷道产生大面积冒顶、煤柱出现大量片帮。动压型煤柱破坏是一个短期的过程，它只发生在煤柱受外因扰动的过程，当扰动停止后，动压型破坏也就停止。2.2.3 煤柱巷道破坏特征煤柱巷道破坏的外部特征可归纳为4种形式：（1）明显的移近量、断面缩小但不冒落；（2）随断面缩变发生冒落；（3）无移近量而冒落；（4）煤柱表层剥落。2.3 影响煤柱留设因素煤柱留设宽度（lm）主要受煤柱周围岩性（即煤柱所处层位）、煤柱所处深度、采动（构造）应力、水、煤柱巷道形状、支护方式、服务年限（包括流变、蠕变）的影响。2.3.1 岩性（层位）对煤柱宽度影响煤柱的顶底板及煤体岩性即其所处的层位是影响煤柱留设宽度的主要因素。岩性对煤柱宽的影响主要体现在原岩应力（h）与顶底板及煤层的复合长时强度（rc）的比值，称为岩性影响系数a。 （2.2）式中a岩性影响系数；平均密度，mn/m3，一般取0.025mn/m3h煤层埋深，m；rc复合长时强度，mpa；hn单层岩层厚度，m；rcn单层岩层强度，mpa。从图2.4可以看出，岩性影响系数（a）对煤柱宽度（lm）的影响主要分为三个阶段，a0.5时，煤柱宽度随岩性影响系数基本呈慢速线性增长；当0.5a0.6时，增长率开始增加，煤柱宽度随岩性影响系数开始加快；当a0.6.时，增长率增加迅速，煤柱宽度随岩性影响系数增加很快。岩性影响系数从0.4增长到0.5，煤柱宽度只增长了8m左右，而岩性影响系数从0.5增长到0.6，煤柱宽度增长了15m左右；从0.6增长到0.7，煤柱宽度增长了25m左右。图2.3 岩性对煤柱宽度的影响2.3.2 埋深对煤柱宽度影响煤柱埋深对煤柱留设宽度是一个恒定存在影响的重要因素。图2.4为采深对煤柱快点影响。图2.4 采深对煤柱宽度的影响从图2.4可以看出，埋深500m1000m之间，采深对于煤柱宽度的影响并不十分明显。当采深增加100m时，相应的煤柱宽度仅仅增加了2m左右。而且通过对不同采深的计算可知，随着采深的增加，煤柱宽度的增加率在微弱减小。但是埋深可以确定煤柱的基本宽度，是煤柱留设最基本和最稳定的影响因素。2.3.3 采动（构造）应力对煤柱宽度影响采动应力对煤柱留设宽度的影响主要表现在工作面超前支承压力影响范围（s）对煤柱的影响。如图2.5所示，超前支承压力影响范围为20m时，煤柱宽度为32m左右，增加12m，支压稳定系数为0.60左右；当超前支承压力影响范围为80m时，煤柱宽度为97m左右，增加17m，支压稳定系数为0.21左右；当超前支承压力影响范围为120m时，煤柱宽度为139m左右，增加19m，支压稳定系数为0.16左右。煤柱宽度随超前支承压力影响范围的扩大而逐渐增大，并且支压稳定系数（b）随超前支承压力影响范围的扩大的不断减小，即增加率在不断减小。 （2.3）式中b支压稳定系数；lm3工作面超前支承压力影响下煤柱维稳宽度，m；s工作面超前支承压力影响范围，m。图2.5 超前支承压力影响范围与支压稳定系数（b）关系2.3.4 水对煤柱宽度影响煤体含水率是非必然影响因素中对煤柱影响最大的一个因素，主要出现在煤柱煤体遇到较大水量影响的位置。当煤柱煤体或顶底板遇水后，岩层强度可降低50%60%，甚至以上。本因素可以归到岩性对煤柱的影响之中。2.3.5 煤柱巷道形状对煤柱宽度影响巷道形状可分为圆形、半圆形、拱形、上拱下矩形、正方形、矩形、梯形等几种形状。从力学角度分析，圆形和半圆形和拱形最稳定不易变形，矩形和梯形最不稳定易变形。但是考虑施工和实际使用情况，煤矿中采区大巷一般为上拱形下矩形形状的巷道，而工作面巷道一般为宽大于高的矩形巷道或梯形巷道。图2.6 上拱下矩形巷道煤柱宽度与矩形或梯形巷道煤柱宽度关系表如图2.6所示，以上拱下矩形巷道煤柱宽度为基准，矩形或梯形巷道煤柱比上拱下矩形巷道煤柱要宽，并且随着煤柱宽度增加，系数（c）不断减小，但是实际增加宽度逐渐增大。2.3.6 影响煤柱宽度的其他因素支护方式、服务年限（包括流变、蠕变）、煤层厚度等也是煤柱留设的影响因素，但是考虑综合因素，这些因素通常以最危情况考虑。（1）支护方式支护方式以锚杆索支护为基准进行考虑。主要考虑：除特殊情况下，支护对底板基本无作用，桁架和u型钢等高强度支护方式支队顶板和两帮有加强支护作用，而对底鼓控制和锚杆索支护基本无差别，因此煤柱留设以锚杆索支护为基准。（2）服务年限服务年限因素也包括随着时间推移的蠕变和流变因素，它以长时服务年限为基准进行考虑。工作面停采线保护煤柱和采区大巷之间煤柱使用时间长，因此煤柱留设是以长时服务年限为基准进行考虑；而工作面之间煤柱留设出于动压影响时间长、安全等因素考虑也以长时服务年限为基准。（3）煤层厚度煤层厚度不同也是煤柱岩性（层位）不同的一种表现，由于煤层的岩性强度低，在因此综合分析煤柱围岩复合长时强度时，煤层越厚的煤柱，其复合长时强度越低。2.4 煤柱留设应注意问题2.4.1 煤柱留设位置要合理煤柱留设在符合使用要求前提下，应尽可能多的避开断层、褶曲、陷落柱等地质构造异常和复杂区域，以免造成煤柱应力集中，致使巷道压坏。2.4.1 煤柱留设尺寸要合理煤柱留设应合理，不宜过窄，也不宜过宽。（1）煤柱留设过窄煤柱留设过窄造成煤柱两侧应力叠加，煤柱受压大，巷道压坏，影响安全生产。（2）煤柱留设过宽煤柱留设过宽，造成无效进尺，浪费煤炭资源。2.4.2 特殊位置和情况下煤柱留设措施虽然注意，但是一般煤柱不可避免的会出现：断层穿过煤柱、煤柱经过褶曲（向斜轴部等）。通过对梁宝寺煤矿实践和研究发现了特殊位置煤柱留设应采取的措施。（1）煤柱经过向斜轴部该区域应力集中，水平挤压较大，巷道帮体移近量大，该区域一般采用加强支护和加大断面面积的措施。加强支护提高围岩强度；加大截面面积，为煤柱帮体变形流出足够空间，以防止因帮体移近量过大，造成巷道断面尺寸过小，影响运输。（2）断层穿过煤柱该区域煤柱变形破坏严重，首先给煤柱一定的变形破坏空间，以达到释放部分应力的目；然后采取加强支护，提高该区域巷道围岩的强度，例如，增加支护密度、架u型棚、高强锚杆、锚注等措施。（3）煤柱留设过窄区域梁宝寺煤矿一、二采区煤柱留设过窄，但是已经成为既定事实，无法改变。因此需要采取加强支护、持续监测和随之维护的措施，保证巷道的安全使用。3 数值模拟3.1 数值模拟理论基础3.1.1岩石强度准则岩石强度理论是岩石力学的基本问题，它是岩土工程稳定性分析的准则或依据。由于岩石与岩体的强度是不同的，且实际工程涉及的因素很多，关系也更复杂。经过长时间的检验，认为库仑准则是比较适合地下岩土工程的岩石破坏准则。库仑于1773年提出了剪切破裂准则，虽然岩石的强度理论后来有了很大发展，但库仑剪切破裂准则至今仍是岩石力学中一个最简单、最重要的准则。库仑认为，使一平面破坏的剪应力受到材料的内聚力和法向应力产生的摩擦力的阻抗，所以剪切破坏准则可以表示为公式（3.1）。其应力圆如图3.1所示，当应力圆与库仑准则线相切时，岩石达到强度极限值；若应力圆与库仑准则线相割，岩石破坏；相离则不破坏。图3.1 三轴压缩极限应力圆库仑准则用主应力表达的公式为： （3.1）式中1最大主应力，mpa；2岩石单轴抗压强度，mpa；3最小主应力，mpa；在1-3坐标平面上，公式（3.1）也是一条直线，如图3.2所示。若岩石中某一点对应的最大主应力值和最小主应力值对应的坐标位于库仑准则线的下方，则岩石在该点是不发生破坏的，反之则发生破坏。图3.2 库仑准则主应力图示在此，笔者根据库仑准则和有关数学知识定义了一个岩石破坏准则的安全系数sf（safety factor），即： （3.2）理论上，当sf大于1时，岩石是安全的。根据现场实践，为了安全起见，在数值计算时，对于顶板，认为sf大于1.5时，顶板岩层是稳定的，sf小于1.5则认为顶板为不稳定岩层；对于两帮，sf大于1.0的两帮岩层是稳定的，小于1.0的区域则认为是不稳定区域。本文根据数值计算结果得到最大主应力和最小主应力值，确定合理保护煤柱，使支架达到最佳性能。由于库仑准则的应用条件为只宜用于受压区，受拉区不宜用，因此，对于顶板出现拉应力区的部分出现的sf值，无法用安全系数解释。这一方面还需要根据现场的实际情况和多年的经验来判断其稳定程度。3.1.2 数值模拟计算方法的选择目前，在岩石力学发展中已表现出不同特点和适用领域的数值计算方法主要有两类：一类是建立在连续介质力学基础上的数值计算方法，如有限元法、边界元法等；另一类是基于非连续介质力学分析方法，如离散元法。但到目前为止，还没有一个成熟的数值计算方法可以有效地解决岩石在载荷作用下的变形与破裂全过程的数值计算问题。就目前的用于岩层变形和破坏分析的数值方法主要有有限元、边界元和离散元方法等，根据这些原理所开发出的大型应用程序如adind、sap5、flac等已在大型工程计算中发挥了很大作用。但是，这些程序在用于岩体的研究中都有不尽人意之处，连续性和均质性假设两个致命弱点一直限制着有限元等其它方法在岩石力学领域的真正应用。在岩体从变形、破坏直至运动过程的研究方面，目前还缺乏比较成熟的数值方法。本次数值模拟反演分析采用rfpa