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沖擊地壓煤層孤島煤柱安全論證方法探討

文檔作者：王建坤曲柱王闖文檔來源：山東濟礦集團金橋煤礦		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月10日
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沖擊地壓煤層孤島煤柱安全論證方法探討
王建坤， 曲柱， 王闖
（山東濟礦集團金橋煤礦，山東濟寧272000）
摘要基于金橋煤礦生產實踐，運用數(shù)值模擬、理論計算和實驗研究等方法，從煤柱穩(wěn)定性和沖擊
地壓危險性等方面進行安全論證，探討沖擊地壓煤層孤島煤柱安全論證方法。
關鍵詞沖擊地壓；孤島煤柱；安全論證；
中圖分類號：TD324.1 文獻標志碼：A 文章編號：1009-0797（2018）04-0116-04
Safety Demonstration of Isolated Coal-pillar in the Rock Burst Seam
Wang Jiankun , Qu Zhu , Wang Chuang
（Shandong Jining Mining Group Jinqiao Coal Mine , Shandong Jining 272000）
Abstract: On the basis of practice of jinqiao coal mine, from the aspect of coal pillar stability and rock burst hazard, studys the safety of
coal-pillar in the rock burst seam, using the method of numerical simulation and theoretical calculation and experimental study.
Key words: rock burst ; island pillar ; safety study
在我國，沖擊地壓作為一種特殊的礦壓顯現(xiàn)形
式，已成為煤礦開采特別是深部開采礦井的主要災
害，嚴重威脅煤礦的安全生產。由于沖擊地壓發(fā)生
機理的復雜性，世界范圍內的沖擊地壓問題還沒有
得到解決。
目前隨著煤炭資源不斷開采， 礦井采場條件日
趨復雜，不可避免出現(xiàn)孤島煤柱。孤島煤柱作為采空
區(qū)上覆巖層的主要支撐點，存在應力集中風險。應力
集中可能造成孤島煤柱受壓失穩(wěn)，而對于沖擊地壓煤
層來說，高應力有可能引發(fā)沖擊地壓事故[1-3]。
根據(jù)2016 版《煤礦安全規(guī)程》第二百三十一條
（四）規(guī)定：沖擊地壓煤層應當嚴格按順序開采，不
得留孤島煤柱。在采空區(qū)內不得留有煤柱，如果必
須在采空區(qū)內留煤柱時，應當進行論證，報企業(yè)技
術負責人審批。孤島煤柱安全論證目前尚未有統(tǒng)
一、規(guī)范的方法，本文通過理論計算和數(shù)值模擬，結
合工程實踐，對論證方法進行了一次探討，具有借
鑒意義。
金橋煤礦3 煤為弱沖擊傾向性煤層，目前正在
開采的1316 上工作面采空區(qū)留設48m 孤島煤柱，
煤柱的安全性需要論證。本次安全論證主要內容
有：①該煤柱是否能穩(wěn)定承載；②該煤柱應力是否
滿足發(fā)生沖擊地壓危險條件。
1 煤柱應力危險性分析
1.1 煤柱寬度影響因素
從圖1 中可以看出，屈服煤柱方法容許巷道和
煤柱在側向支承壓力作用下產生一定的變形，從而
把大量的載荷轉移到周圍的實體煤中，降低自身的
應力集中程度，防止大量彈性能積聚后的突然釋放
造成煤柱型沖擊地壓的發(fā)生；支撐煤柱的彈性核區(qū)
較寬，能夠支撐上覆巖層所施加的載荷，煤柱不易
發(fā)生突然失穩(wěn)破壞，應力集中程度較高，有可能引
發(fā)沖擊地壓。
圖1 煤柱寬高比W/H 與承載特性關系
該煤柱寬高比為16，屬于中高應力區(qū)，可能發(fā)
生沖擊地壓。
1.2 煤柱發(fā)生沖擊的應力條件
由試驗所得： 當煤的單向抗壓強度大于
RC>20MPa 時， 煤體發(fā)生沖擊地壓破壞的最小應力
水平為50MPa； 煤的單向抗壓強度小于RC<16MPa
時， 煤體發(fā)生沖擊地壓破壞的最小應力水平為
70MPa； 當煤的單向抗壓強度RC=16~20MPa 時，發(fā)
生沖擊地壓破壞的最小應力水平為50~70MPa。
根據(jù)試驗結果，金橋煤礦一采區(qū)3 號煤測定的
單軸抗壓強度為7.16MPa，當3 號煤要發(fā)生沖擊，煤
體發(fā)生沖擊地壓破壞的最小應力水平為70MPa。所
以確定70MPa 為發(fā)生沖擊的臨界壓力。
煤礦現(xiàn)代化2018年第4期總第145期
·116·
萬方數(shù)據(jù)
2 煤柱應力水平分析
2.1 數(shù)值模型的建立
為判斷煤柱應力水平是否達到發(fā)生沖擊地壓
的條件， 需對煤柱應力情況進行預分析， 采用
FLAC3D 數(shù)值計算軟件進行模擬分析。
基于金橋煤礦1316 上工作面實際地質條件，
建立采動影響下煤柱穩(wěn)定性數(shù)值計算三維模型如
圖2 所示。模型幾何尺寸為400m×500m×228m，分
別對應開采煤層走向、傾向及煤巖體層面法向方
向； 模型建為水平煤層， 煤層厚6m， 模型共計含
109920 個網(wǎng)格；模型共含有16 層煤巖層，煤層位于
模型中下部，其上覆巖層共146m，下覆巖層共76m。
模型頂部為自由界面，以大小為7.55MPa 的均
布荷載模擬模型頂部至地表巖層（厚302m）產生的
自重應力；模型底面沿z 軸負方向為無限煤巖體，視
為位移約束邊界條件， 定義位移XX=0、XY=0、
XZ=0m；模型在x、y 方向亦為無限煤巖體，固在模型
前后、左右側面分別定義位移XY=0、XX=0m，模型
邊界條件如圖3 所示。
圖2 數(shù)值模型示意圖
圖3 模型邊界條件示意圖
依據(jù)金橋煤礦煤巖體物理力學參數(shù)對模型材
料參數(shù)賦值（見表1），運用Mohr-Coulomb 彈塑性模
型計算初始平衡并進行1306 上工作面回采（面長
60m）、1304 上工作面回采（面長120m）、1316 上工作
面回采（面長170m），以分析采動過程中煤柱應力
變化情況。
表1 模型內煤巖體力學參數(shù)
2.2 數(shù)值模擬結果分析
模型初始平衡后，先回采1306 上工作面，待應
力平衡后回采1304 上工作面，得到1316 上工作面回
采前48m 煤柱垂直應力云圖如圖4 所示。由圖4 可
以看出，1304 工作面的回采引起煤柱應力集中，垂
直應力有2 個峰值：最大峰值56.38MPa，距1304 上
采空區(qū)6m 煤壁處；第二峰值21.38MPa 距1304 上采
空區(qū)20m 煤壁處。
圖4 1316 上工作面回采前48m 煤柱應力云圖
1316 上工作面回采235m 時煤柱垂直應力云圖
如圖5 所示。由圖5 可以看出，1316 上工作面的回采
與1304 上工作面的回采引起煤柱應力集中，垂直應
力有2 個峰值，峰值曲線較為對稱：峰值最大峰值
64.83MPa， 距1316 上采空區(qū)7m 煤壁處； 第二峰值
63.94MPa 距1304 上采空區(qū)7m 煤壁處，從走向與傾
向上看，垂直應力均在采空區(qū)中部近煤壁側達到峰
值。
煤礦現(xiàn)代化2018 年第4期總第145期
覆巖名稱
容重
kN/m3
體積模量
GPa
切變模量
GPa
內摩擦角
/°
抗拉強度
MPa
內聚力
MPa
中砂巖25 4.0 1.9 36 5.2 8
粗砂巖25 2.7 1.6 33 4.2 7
砂泥巖互層22 1.9 1.2 32 3.1 5
中砂巖25 4.0 1.9 36 5.2 8
粉砂巖26 3.2 2.0 31 6.0 7
中砂巖25 4.0 1.9 36 5.2 8
粉砂巖26 3.2 2.0 31 6.0 7
中砂巖25 4.0 1.9 36 5.2 8
粉砂巖26 3.2 2.0 31 6.0 7
細砂巖27 3.7 2.4 32 6.0 6
中砂巖25 4.0 1.9 36 5.2 8
3 煤14 2.3 0.9 30 1 2.3
粉砂巖25 3.2 2.0 31 6 7
中砂巖
粉砂巖
粗砂巖
25
25
25
4.0
3.2
2.7
1.9
2.0
1.6
36
31
33
5.2
6
4.17
8
7
7
·117·
萬方數(shù)據(jù)
圖5 1316 上工作面回采235m 時48m 煤柱應力云圖
監(jiān)測1316 上工作面未采動時、回采100m、回采
150m、回采170m、回采190m、回采235m 時，煤柱沿
傾向上的垂直應力分布情況，得到回采過程中煤柱
應力變化曲線，如圖6 所示。從圖中可以看出，工作
面未采動時煤柱受1304 上工作面回采擾動，覆巖深
入煤壁斷裂，并在距1304 上采空區(qū)20m 處受應力疊
加影響形成次生峰值，距采空區(qū)30m 以遠區(qū)域未受
采動影響，保持原巖應力14.3~14.7MPa。
圖6 1316 上工作面回采過程中48m 煤柱應力變化曲線
隨1316 上工作面回采， 煤柱垂直應力逐漸增
大， 且在2 個采空區(qū)中部煤壁前方形成2 個峰值：
回采100m 時距1316 上采空區(qū)6m 煤壁處應力峰值
為49.27MPa，距1304 上采空區(qū)6m 煤壁處應力峰值
為54.91MPa； 回采150m 時距1316 上采空區(qū)6m 煤
壁處應力峰值為55.46MPa，距1304 上采空區(qū)6m 煤
壁處應力峰值為58.08MPa； 回采170m 時距1316 上
采空區(qū)6m 煤壁處應力峰值為57.61MPa，距1304 上
采空區(qū)6m 煤壁處應力峰值為59.58MPa， 此時工作
面見方來壓， 工作面兩巷超前段支承壓力顯現(xiàn)明
顯；回采190m 時距1316 上采空區(qū)7m 煤壁處應力峰
值為59.5MPa， 距1304 上采空區(qū)6m 煤壁處應力峰
值為60.97MPa； 回采190m 時距1316 上采空區(qū)7m
煤壁處應力峰值為64.83MPa， 距1304 上采空區(qū)7m
煤壁處應力峰值為63.94MPa。工作面回采235m 時
垂直應力達到最大，且1316 上采空區(qū)煤壁側垂直應
力峰值首次大于1304 上采空區(qū)煤壁側垂直應力，此
為1316 上采空區(qū)與1306 上采空區(qū)覆巖聯(lián)動達到最
大跨度，形成二次見方，煤柱最大應力64.83MPa未
達到70MPa，不會發(fā)生沖擊地壓危險。
3 煤柱穩(wěn)定性論證
3.1 理論分析
根據(jù)極限平衡理論，煤柱兩側存在破碎區(qū),如果
煤柱過窄,煤柱中心將沒有完整的煤層,煤柱內部均
為破碎區(qū)和塑性區(qū),其穩(wěn)定性和承載能力極低,并且
錨桿全長處于破碎圍巖中，錨桿無著力基礎,使錨固
力減小, 錨桿的支護作用降低， 不能保持煤柱的穩(wěn)
定。因此煤柱穩(wěn)定的關鍵是煤柱中心要有一定尺寸
的穩(wěn)定核區(qū),即比較完整,裂隙不太發(fā)育，強度比較
大的核心區(qū)煤層,即煤柱穩(wěn)定核區(qū)。
目前常用的煤柱穩(wěn)定性設計方法有極限平衡
理論以及經驗公式法。在高應力區(qū)域，不但要考慮
煤柱的塑性破壞，還要滿足核區(qū)率穩(wěn)定要求[4-5]。
ρ= W-2R
W ={0.65 軟煤,0.85 中硬煤,0.9 硬煤} （1）
式中：R 為煤柱屈服區(qū)寬度，ρ 為核區(qū)率。
3.2 計算
根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，煤柱兩側屈服寬度分
別為6m、7m，將W=48 公式代入（2）中求得：ρ=0.
73，金橋煤礦一采區(qū)3 煤為軟煤，因此符合要求。
1316 上工作面與1304 上工作面之間煤柱能夠穩(wěn)
定承載，不會失穩(wěn)。
4 結論
（1）煤層發(fā)生沖擊地壓的應力水平跟單軸抗壓
強度密切相關，應及時進行試驗，取得準確數(shù)據(jù)。
（2）通過數(shù)值模擬方法，能夠大致判斷煤柱的
應力水平值。通過模擬發(fā)現(xiàn)1316 上工作面回采
235m 時，煤柱達到最高應力水平64.83MPa，與1316
上與1306 上采空區(qū)覆巖聯(lián)動形成二次見方位置較為
吻合。
（3）在判斷煤柱是否能穩(wěn)定承載方面，可以由
數(shù)值模擬計算取得煤柱屈服區(qū)寬度，根據(jù)經驗公式
計算煤柱核區(qū)率，校驗煤柱的穩(wěn)定性。
（4）本文通過理論分析、數(shù)值模擬、工程試驗方
法，對沖擊地壓煤層孤島煤柱的安全論證方法進行
了探討，而應指出的是，數(shù)值計算模型存在一定誤
煤礦現(xiàn)代化2018年第4期總第145期
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萬方數(shù)據(jù)
差，應該根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測、試驗數(shù)據(jù)進一步修正，使其
更符合實際。
參考文獻：
[1] 齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術[M].徐州：中國礦
業(yè)大學出版社，2008：1-2.
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性研究[J]. 采礦與安全工程學報，2016，33（5）：1-2.
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預測[J]. 中國地質災害與防治學報，2015，26（1）：49-55.
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區(qū)理論研究[J]. 湖南科技大學學報，2010,25（4）：5-6.
作者簡介：
王建坤（1982-），男，山東濟寧人，學士，現(xiàn)從事煤礦開采
工作。（收稿日期：2018-1-9）
基于廣域搜索算法的采煤機故障智能診斷系統(tǒng)
郭亨經
（山西凱嘉能源集團有限公司，山西介休032000）
摘要采煤機故障診斷專家系統(tǒng)獲取知識，有一定的難度，為此通過該系統(tǒng)并綜合使用擴展故障樹
分析， 在擴展故障樹的基礎上提出采煤機故障診斷專家系統(tǒng)知識獲取方法。相對于傳統(tǒng)的故障樹節(jié)
點，增加了節(jié)點類型、重要度等內容，所得到的故障樹有擴展性，把其中的相關節(jié)點信息轉變?yōu)橛幸?
定規(guī)范性的專家系統(tǒng)知識。在推理過程中，重點使用廣度搜索，將深度和廣度搜索相結合，從而能高
效、準確的查找各類故障。
關鍵詞采煤機；故障診斷；擴展故障樹；專家系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫
中圖分類號：TD421.6 文獻標志碼：A 文章編號：1009-0797（2018）04-0119-03
Intelligent fault diagnosis system of Shearer Based on wide area search algorithm
Guo Hengjing
（Shanxi Kaijia Energy Group Co. Ltd, Shanxi Jiexiu 032000）
Abstract: shearer fault diagnosis expert system is difficult to acquire knowledge. To solve this problem, a method of knowledge acquisition for
shearer fault diagnosis expert system is proposed based on extended fault tree analysis and extension fault tree analysis. Compared with the
traditional fault tree nodes, the node type and importance degree are increased. The resulting fault tree has scalability, transforming the related
node information into a standardized expert system knowledge. In the process of reasoning, the focus of the use of breadth search, depth and
breadth search combined, so as to be able to efficiently and accurately find all kinds of failures.
Key words: coal shearer ; fault diagnosis ; extended fault tree ; expert system ; database
1 引言
隨著煤炭開采業(yè)的快速發(fā)展，需要各種現(xiàn)代化
采煤設備，其中采煤機是一項關鍵性設備，它的構
造比較復雜，分為機械、液壓以及電控等部分。采煤
機運行當中要面臨由裁決活動產生的沖擊載荷、煤
塵水汽的污染及侵蝕，伴隨產生的瓦斯也會對其產
生不利影響，導致采煤機經常發(fā)生故障，不利于設
備的正常使用。采煤機要承受巨大的負載，所處的
工作條件極其惡劣， 再加上需要連續(xù)不斷的運轉，
并配備各種各樣的機電液設備，由此導致采煤機經
常出現(xiàn)各種故障，并有隨機性。對采煤機的故障實
施分析和研究，才能確保采煤機能順利運行。在以
前，診斷采煤機的故障，主要是工作人員在現(xiàn)場通
過自己的專業(yè)理論及時間經驗進行處理。所以，充
分運用最新技術來及時、準確的診斷出采煤機的故
障，提出針對性的解決之策，將停機損失降到最低，
這對于采煤工作面高效生產有巨大價值。
所以，通過分析牽引部這一采煤機核心部分，綜
合使用擴展故障樹分析法和故障診斷專家系統(tǒng)方法，
設計出基于擴展故障樹的采煤機牽引部故障診斷專
家系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，以前的采煤機故障診斷專家系
統(tǒng)不能獲取豐富知識、信息面窄的問題都迎刃而解，
最終實現(xiàn)能穩(wěn)定、高效的診斷采煤機故障。
2 故障診斷專家系統(tǒng)總體設計
采煤機故障診斷專家系統(tǒng)共由知識庫模塊、推
理機模塊、知識獲取模塊、知識維護模塊、數(shù)據(jù)庫
煤礦現(xiàn)代化2018年第4期總第145期
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