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冲击地压煤层孤岛煤柱安全论证方法探讨

文档作者：王建坤曲柱王闯文档来源：山东济矿集团金桥煤矿		点击数：	更新时间： 2022年12月10日
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冲击地压煤层孤岛煤柱安全论证方法探讨
王建坤， 曲柱， 王闯
（山东济矿集团金桥煤矿，山东济宁272000）
摘要基于金桥煤矿生产实践，运用数值模拟、理论计算和实验研究等方法，从煤柱稳定性和冲击
地压危险性等方面进行安全论证，探讨冲击地压煤层孤岛煤柱安全论证方法。
关键词冲击地压；孤岛煤柱；安全论证；
中图分类号：TD324.1 文献标志码：A 文章编号：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
在我国，冲击地压作为一种特殊的矿压显现形
式，已成为煤矿开采特别是深部开采矿井的主要灾
害，严重威胁煤矿的安全生产。由于冲击地压发生
机理的复杂性，世界范围内的冲击地压问题还没有
得到解决。
目前随着煤炭资源不断开采， 矿井采场条件日
趋复杂，不可避免出现孤岛煤柱。孤岛煤柱作为采空
区上覆岩层的主要支撑点，存在应力集中风险。应力
集中可能造成孤岛煤柱受压失稳，而对于冲击地压煤
层来说，高应力有可能引发冲击地压事故[1-3]。
根据2016 版《煤矿安全规程》第二百三十一条
（四）规定：冲击地压煤层应当严格按顺序开采，不
得留孤岛煤柱。在采空区内不得留有煤柱，如果必
须在采空区内留煤柱时，应当进行论证，报企业技
术负责人审批。孤岛煤柱安全论证目前尚未有统
一、规范的方法，本文通过理论计算和数值模拟，结
合工程实践，对论证方法进行了一次探讨，具有借
鉴意义。
金桥煤矿3 煤为弱冲击倾向性煤层，目前正在
开采的1316 上工作面采空区留设48m 孤岛煤柱，
煤柱的安全性需要论证。本次安全论证主要内容
有：①该煤柱是否能稳定承载；②该煤柱应力是否
满足发生冲击地压危险条件。
1 煤柱应力危险性分析
1.1 煤柱宽度影响因素
从图1 中可以看出，屈服煤柱方法容许巷道和
煤柱在侧向支承压力作用下产生一定的变形，从而
把大量的载荷转移到周围的实体煤中，降低自身的
应力集中程度，防止大量弹性能积聚后的突然释放
造成煤柱型冲击地压的发生；支撑煤柱的弹性核区
较宽，能够支撑上覆岩层所施加的载荷，煤柱不易
发生突然失稳破坏，应力集中程度较高，有可能引
发冲击地压。
图1 煤柱宽高比W/H 与承载特性关系
该煤柱宽高比为16，属于中高应力区，可能发
生冲击地压。
1.2 煤柱发生冲击的应力条件
由试验所得： 当煤的单向抗压强度大于
RC>20MPa 时， 煤体发生冲击地压破坏的最小应力
水平为50MPa； 煤的单向抗压强度小于RC<16MPa
时， 煤体发生冲击地压破坏的最小应力水平为
70MPa； 当煤的单向抗压强度RC=16~20MPa 时，发
生冲击地压破坏的最小应力水平为50~70MPa。
根据试验结果，金桥煤矿一采区3 号煤测定的
单轴抗压强度为7.16MPa，当3 号煤要发生冲击，煤
体发生冲击地压破坏的最小应力水平为70MPa。所
以确定70MPa 为发生冲击的临界压力。
煤矿现代化2018年第4期总第145期
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万方数据
2 煤柱应力水平分析
2.1 数值模型的建立
为判断煤柱应力水平是否达到发生冲击地压
的条件， 需对煤柱应力情况进行预分析， 采用
FLAC3D 数值计算软件进行模拟分析。
基于金桥煤矿1316 上工作面实际地质条件，
建立采动影响下煤柱稳定性数值计算三维模型如
图2 所示。模型几何尺寸为400m×500m×228m，分
别对应开采煤层走向、倾向及煤岩体层面法向方
向； 模型建为水平煤层， 煤层厚6m， 模型共计含
109920 个网格；模型共含有16 层煤岩层，煤层位于
模型中下部，其上覆岩层共146m，下覆岩层共76m。
模型顶部为自由界面，以大小为7.55MPa 的均
布荷载模拟模型顶部至地表岩层（厚302m）产生的
自重应力；模型底面沿z 轴负方向为无限煤岩体，视
为位移约束边界条件， 定义位移XX=0、XY=0、
XZ=0m；模型在x、y 方向亦为无限煤岩体，固在模型
前后、左右侧面分别定义位移XY=0、XX=0m，模型
边界条件如图3 所示。
图2 数值模型示意图
图3 模型边界条件示意图
依据金桥煤矿煤岩体物理力学参数对模型材
料参数赋值（见表1），运用Mohr-Coulomb 弹塑性模
型计算初始平衡并进行1306 上工作面回采（面长
60m）、1304 上工作面回采（面长120m）、1316 上工作
面回采（面长170m），以分析采动过程中煤柱应力
变化情况。
表1 模型内煤岩体力学参数
2.2 数值模拟结果分析
模型初始平衡后，先回采1306 上工作面，待应
力平衡后回采1304 上工作面，得到1316 上工作面回
采前48m 煤柱垂直应力云图如图4 所示。由图4 可
以看出，1304 工作面的回采引起煤柱应力集中，垂
直应力有2 个峰值：最大峰值56.38MPa，距1304 上
采空区6m 煤壁处；第二峰值21.38MPa 距1304 上采
空区20m 煤壁处。
图4 1316 上工作面回采前48m 煤柱应力云图
1316 上工作面回采235m 时煤柱垂直应力云图
如图5 所示。由图5 可以看出，1316 上工作面的回采
与1304 上工作面的回采引起煤柱应力集中，垂直应
力有2 个峰值，峰值曲线较为对称：峰值最大峰值
64.83MPa， 距1316 上采空区7m 煤壁处； 第二峰值
63.94MPa 距1304 上采空区7m 煤壁处，从走向与倾
向上看，垂直应力均在采空区中部近煤壁侧达到峰
值。
煤矿现代化2018 年第4期总第145期
覆岩名称
容重
kN/m3
体积模量
GPa
切变模量
GPa
内摩擦角
/°
抗拉强度
MPa
内聚力
MPa
中砂岩25 4.0 1.9 36 5.2 8
粗砂岩25 2.7 1.6 33 4.2 7
砂泥岩互层22 1.9 1.2 32 3.1 5
中砂岩25 4.0 1.9 36 5.2 8
粉砂岩26 3.2 2.0 31 6.0 7
中砂岩25 4.0 1.9 36 5.2 8
粉砂岩26 3.2 2.0 31 6.0 7
中砂岩25 4.0 1.9 36 5.2 8
粉砂岩26 3.2 2.0 31 6.0 7
细砂岩27 3.7 2.4 32 6.0 6
中砂岩25 4.0 1.9 36 5.2 8
3 煤14 2.3 0.9 30 1 2.3
粉砂岩25 3.2 2.0 31 6 7
中砂岩
粉砂岩
粗砂岩
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·
万方数据
图5 1316 上工作面回采235m 时48m 煤柱应力云图
监测1316 上工作面未采动时、回采100m、回采
150m、回采170m、回采190m、回采235m 时，煤柱沿
倾向上的垂直应力分布情况，得到回采过程中煤柱
应力变化曲线，如图6 所示。从图中可以看出，工作
面未采动时煤柱受1304 上工作面回采扰动，覆岩深
入煤壁断裂，并在距1304 上采空区20m 处受应力叠
加影响形成次生峰值，距采空区30m 以远区域未受
采动影响，保持原岩应力14.3~14.7MPa。
图6 1316 上工作面回采过程中48m 煤柱应力变化曲线
随1316 上工作面回采， 煤柱垂直应力逐渐增
大， 且在2 个采空区中部煤壁前方形成2 个峰值：
回采100m 时距1316 上采空区6m 煤壁处应力峰值
为49.27MPa，距1304 上采空区6m 煤壁处应力峰值
为54.91MPa； 回采150m 时距1316 上采空区6m 煤
壁处应力峰值为55.46MPa，距1304 上采空区6m 煤
壁处应力峰值为58.08MPa； 回采170m 时距1316 上
采空区6m 煤壁处应力峰值为57.61MPa，距1304 上
采空区6m 煤壁处应力峰值为59.58MPa， 此时工作
面见方来压， 工作面两巷超前段支承压力显现明
显；回采190m 时距1316 上采空区7m 煤壁处应力峰
值为59.5MPa， 距1304 上采空区6m 煤壁处应力峰
值为60.97MPa； 回采190m 时距1316 上采空区7m
煤壁处应力峰值为64.83MPa， 距1304 上采空区7m
煤壁处应力峰值为63.94MPa。工作面回采235m 时
垂直应力达到最大，且1316 上采空区煤壁侧垂直应
力峰值首次大于1304 上采空区煤壁侧垂直应力，此
为1316 上采空区与1306 上采空区覆岩联动达到最
大跨度，形成二次见方，煤柱最大应力64.83MPa未
达到70MPa，不会发生冲击地压危险。
3 煤柱稳定性论证
3.1 理论分析
根据极限平衡理论，煤柱两侧存在破碎区,如果
煤柱过窄,煤柱中心将没有完整的煤层,煤柱内部均
为破碎区和塑性区,其稳定性和承载能力极低,并且
锚杆全长处于破碎围岩中，锚杆无着力基础,使锚固
力减小, 锚杆的支护作用降低， 不能保持煤柱的稳
定。因此煤柱稳定的关键是煤柱中心要有一定尺寸
的稳定核区,即比较完整,裂隙不太发育，强度比较
大的核心区煤层,即煤柱稳定核区。
目前常用的煤柱稳定性设计方法有极限平衡
理论以及经验公式法。在高应力区域，不但要考虑
煤柱的塑性破坏，还要满足核区率稳定要求[4-5]。
ρ= W-2R
W ={0.65 软煤,0.85 中硬煤,0.9 硬煤} （1）
式中：R 为煤柱屈服区宽度，ρ 为核区率。
3.2 计算
根据数值模拟计算结果，煤柱两侧屈服宽度分
别为6m、7m，将W=48 公式代入（2）中求得：ρ=0.
73，金桥煤矿一采区3 煤为软煤，因此符合要求。
1316 上工作面与1304 上工作面之间煤柱能够稳
定承载，不会失稳。
4 结论
（1）煤层发生冲击地压的应力水平跟单轴抗压
强度密切相关，应及时进行试验，取得准确数据。
（2）通过数值模拟方法，能够大致判断煤柱的
应力水平值。通过模拟发现1316 上工作面回采
235m 时，煤柱达到最高应力水平64.83MPa，与1316
上与1306 上采空区覆岩联动形成二次见方位置较为
吻合。
（3）在判断煤柱是否能稳定承载方面，可以由
数值模拟计算取得煤柱屈服区宽度，根据经验公式
计算煤柱核区率，校验煤柱的稳定性。
（4）本文通过理论分析、数值模拟、工程试验方
法，对冲击地压煤层孤岛煤柱的安全论证方法进行
了探讨，而应指出的是，数值计算模型存在一定误
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万方数据
差，应该根据现场监测、试验数据进一步修正，使其
更符合实际。
参考文献：
[1] 齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿
业大学出版社，2008：1-2.
[2] 张俊飞，姜福兴，杨建博，等. 冲击煤层孤岛煤柱可开采
性研究[J]. 采矿与安全工程学报，2016，33（5）：1-2.
[3] 陈善乐，汪华君，张继华. 开采孤岛煤柱的冲击危险性区
预测[J]. 中国地质灾害与防治学报，2015，26（1）：49-55.
[4] 窦林名，贺虎. 煤矿覆岩空间结构0X-F-T 演化规律研究
[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31（3）：2-3.
[5] 王永，朱川曲，陈淼明，等. 窄煤柱沿空掘巷煤柱稳定核
区理论研究[J]. 湖南科技大学学报，2010,25（4）：5-6.
作者简介：
王建坤（1982-），男，山东济宁人，学士，现从事煤矿开采
工作。（收稿日期：2018-1-9）
基于广域搜索算法的采煤机故障智能诊断系统
郭亨经
（山西凯嘉能源集团有限公司，山西介休032000）
摘要采煤机故障诊断专家系统获取知识，有一定的难度，为此通过该系统并综合使用扩展故障树
分析， 在扩展故障树的基础上提出采煤机故障诊断专家系统知识获取方法。相对于传统的故障树节
点，增加了节点类型、重要度等内容，所得到的故障树有扩展性，把其中的相关节点信息转变为有一
定规范性的专家系统知识。在推理过程中，重点使用广度搜索，将深度和广度搜索相结合，从而能高
效、准确的查找各类故障。
关键词采煤机；故障诊断；扩展故障树；专家系统；数据库
中图分类号：TD421.6 文献标志码：A 文章编号：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
随着煤炭开采业的快速发展，需要各种现代化
采煤设备，其中采煤机是一项关键性设备，它的构
造比较复杂，分为机械、液压以及电控等部分。采煤
机运行当中要面临由裁决活动产生的冲击载荷、煤
尘水汽的污染及侵蚀，伴随产生的瓦斯也会对其产
生不利影响，导致采煤机经常发生故障，不利于设
备的正常使用。采煤机要承受巨大的负载，所处的
工作条件极其恶劣， 再加上需要连续不断的运转，
并配备各种各样的机电液设备，由此导致采煤机经
常出现各种故障，并有随机性。对采煤机的故障实
施分析和研究，才能确保采煤机能顺利运行。在以
前，诊断采煤机的故障，主要是工作人员在现场通
过自己的专业理论及时间经验进行处理。所以，充
分运用最新技术来及时、准确的诊断出采煤机的故
障，提出针对性的解决之策，将停机损失降到最低，
这对于采煤工作面高效生产有巨大价值。
所以，通过分析牵引部这一采煤机核心部分，综
合使用扩展故障树分析法和故障诊断专家系统方法，
设计出基于扩展故障树的采煤机牵引部故障诊断专
家系统。使用该系统，以前的采煤机故障诊断专家系
统不能获取丰富知识、信息面窄的问题都迎刃而解，
最终实现能稳定、高效的诊断采煤机故障。
2 故障诊断专家系统总体设计
采煤机故障诊断专家系统共由知识库模块、推
理机模块、知识获取模块、知识维护模块、数据库
煤矿现代化2018年第4期总第145期
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