鐘 林

（遼寧省交通規(guī)劃設計院，遼寧省沈陽市，110166）

煤柱寬度對沿空巷道圍巖影響分析

鐘 林

（遼寧省交通規(guī)劃設計院，遼寧省沈陽市，110166）

為了研究煤柱寬度對沿空巷道圍巖的影響作用，以陳四樓煤礦深部沿空送巷為工程背景，采用二維有限差分軟件FLAC2D建立二維數值模型對同一開采深度條件下不同護巷煤柱寬度對圍巖的影響進行數值計算分析。分析結果表明，隨著煤柱寬度的增大，沿空巷道圍巖應力逐漸提高，在煤柱寬度較窄時，巷道圍巖處于低應力區(qū)，當煤柱寬度達到一定程度時，低應力在煤柱中部被分割開，煤柱中部核心區(qū)域出現應力增高區(qū)。在沿空巷道下幫煤體內、深度大致在6～8m范圍內，將會出現垂直應力高峰區(qū)。一般最好選擇煤柱寬度在2～4m范圍內。

沿空巷道 煤柱寬度 圍巖應力 圍巖變形 數值模型

沿空送巷工況條件下煤柱寬度對巷道圍巖的穩(wěn)定性起著重要的作用，永煤集團陳四樓煤礦目前只有部分采區(qū)進入了650～700m的開采深度，正處在進入深部開采的邊緣，現場礦壓觀測資料相對淺部開采較少，也不能全面真實反映深部開采煤柱寬度對巷道圍巖的影響規(guī)律。國內相關的研究大都是基于其本身的煤礦工程而言的，地質和開采條件都不盡相同，不能直接用來應用于陳四樓煤礦，為此，本文主要采用數值模擬的研究方法，通過陳四樓礦深部開采條件下不同護巷煤柱寬度的變化對沿空巷道的影響進行系統(tǒng)研究，提出了適用于本工程深部開采的合理護巷煤柱寬度，同時由于豫北及其周邊地區(qū)地質條件都有一定的相似性，以期能夠對該地區(qū)的其他煤礦工程提供一定的參考。

1 工作面地質及支護條件

煤層開采工作面為二2煤層，厚度變化較小，最小為2.5m，最大為3m，平均2.8m，煤巖類型以亮煤為主，次為暗煤，煤層平均傾角為5°；偽頂為炭質泥巖，平均厚度0.52m；直接頂為細砂巖，平均厚度為3.59m；老頂為中粒砂巖，平均厚度為10.21m；直接底為泥巖，平均厚度為2.77m；老底為細砂巖，平均厚度為18.34m。圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，膠結程度差，松軟破碎，自承能力較差，而且對水的作用極為敏感。

巷道斷面尺寸上幫高為3.11m，下幫高2.8 m，底部寬3.6m。錨桿的支護參數為巷道頂錨桿5根，上幫錨桿5根，下幫錨桿3根，縱向間排距為0.8m，端錨采用?18mm×2000mm鋼筋樹脂錨桿，錨固力為50～100kN，全錨采用?20mm×2000mm鋼筋樹脂錨桿，錨固力為100～150kN。

2 數值模型及圍巖參數

為了研究不同煤柱寬度在同一開采深度即700m條件下對沿空巷道圍巖影響規(guī)律，應用FLAC2D建立二維數值模型，進行數值模擬研究。

模型尺寸寬（X）×深（Y）＝71.2m×52m，共1976個單元。模型的左、右邊界和底邊界對位移進行約束，上邊界為加載自由邊界，沿空巷道的數值模型和圍巖參數分別如圖1和表1所示。

圖1 沿空巷道的數值模型

表1 圍巖參數表

3 計算結果分析

擬定在開采深度為700m和支護強度為0.2MPa的條件下，研究在不同寬度的護巷煤柱保護下沿空巷道圍巖的應力作用和變形規(guī)律。支護只施加在巷道的頂板和兩幫，而不對底板進行任何支護，完全與現場的實際情況一致。將煤柱寬度分為0m、2m、4m、6m和8m5種工況。

3.1 沿空巷道的應力場分布規(guī)律

不同煤柱寬度沿空巷道的應力場分布見圖2。從圖2可以看出：

（1）當無護巷煤柱時，沿空巷道沿采空區(qū)邊緣掘進，整個沿空巷道處于低應力區(qū)之中，該區(qū)域的應力值在2.5MPa范圍內。

（2）當煤柱寬度為2m時，沿空巷道和護巷煤柱都處于低應力區(qū)，該區(qū)域的應力值在2.5MPa范圍內。

（3）當煤柱寬度為4m時，沿空巷道和護巷煤柱仍然處于整個采場應力場的低應力區(qū)，但煤柱核心部位有一個應力增高的核心區(qū)，應力值在5～10MPa范圍內，低應力區(qū)在2.5～5MPa范圍內。

（4）當煤柱寬度為6m時，由于煤柱加大，低應力在煤柱中部被分割開，煤柱中部核心區(qū)域出現應力增高區(qū)，該應力增高區(qū)的應力值達到15MPa；沿空巷道的采空區(qū)邊緣位置出現的低應力區(qū)的應力值大致在2.5～5MPa范圍內。

（5）當煤柱寬度為8m時，與煤柱寬度為6m的情況有些類似，煤柱中核心區(qū)的應力增高值達到20MPa，沿空巷道的采空區(qū)邊緣出現低應力區(qū)，該區(qū)的應力值大致在2.5MPa以上。

圖2 沿空巷道和煤柱處應力分布

3.2 沿空巷道的垂直應力分布規(guī)律

不同寬度煤柱條件下的垂直應力在煤柱、巷道和下幫煤體內的分布見圖3。

圖3 沿空巷道垂直應力分布曲線

從圖3可以看出：

（1）在沿空巷道下幫煤體內、深度大致在6～8m范圍內，將會出現垂直應力高峰區(qū)，最大值大致在32～37MPa范圍內，在下幫煤體內的最大應力集中系數大致為2。

（2）隨著煤柱寬度的增大，煤柱上的垂直應力有明顯的增大趨勢，不同寬度的煤柱所承受的最大垂直力分別是：0m為0MPa、2m為0.2MPa、4m為5MPa、6m為10MPa、8m為15MPa。

（3）無論煤柱大小，沿空巷道上方出現了明顯應力低谷區(qū)，垂直應力大致在0～0.2MPa的范圍內，與支護強度0.2MPa十分接近，表明巷道支護的作用得到了發(fā)揮。

（4）從煤柱和沿空巷道上方所承受的垂直應力分布來看，煤柱寬度越小，越有利于使煤柱和沿空巷道都處于低應力區(qū)之中，越有利于沿空巷道的圍巖變形控制（支護）。

綜合上述分析，深部開采沿空巷道仍然應當盡可能地將沿空巷道布置在越靠近采空區(qū)側。在實際工程中，關鍵要以煤柱自身是否穩(wěn)定為準，在錨桿支護能夠保持煤柱穩(wěn)定的前提下，煤柱寬度越小越好。由于煤柱加大后，集中應力也會使沿空巷道難以支護，圍巖變形難以控制；煤柱寬度變窄，又面臨著煤柱易破碎的支護問題，因此并不是煤柱寬度越小越好，需要找出最合理的煤柱寬度范圍。

3.3 沿空巷道的變形分布規(guī)律

將煤柱寬度分為0m、2m、4m、6m和8m 5種工況，測量沿空巷道圍巖變形量，結果見表2和圖4。

表2 沿空巷道圍巖變形

從圖4可以得出以下結論：

（1）在0～2m煤柱寬度范圍內，無煤柱的沿空巷道的圍巖變形反而比2m煤柱的圍巖變形大得多。顯然，無煤柱的沿空巷道是不可取的，由于沒有護巷煤柱的保護，即使沿空巷道位于整個應力場的低應力區(qū)域，但巷道圍巖變形仍然較大，特別是兩幫的收斂變形更為突出。因此，無煤柱的沿空巷道方案不可取，而應當取窄小煤柱方案。

（2）在2～8m煤柱寬度范圍內，隨著煤柱寬度的增加，圍巖變形也隨之增大；結合以上討論的沿空巷道的應力場分布規(guī)律，在2～8m煤柱寬度范圍內，隨著煤柱寬度增加，垂直應力也在迅速增大。顯然，沿空巷道圍巖的變形與沿空巷道所處的應力場大小有直接關系。應當將沿空巷道布置在整個采場的低應力區(qū)之中。因此，在2～8m煤柱寬度范圍應當選擇窄煤柱，即煤柱寬度為2m。

（3）合理寬度的護巷煤柱對控制圍巖變形作用十分明顯，煤柱寬度從2m變化到8m，頂底板相對位移變形從262mm增至813mm，增幅550 mm，兩幫從331mm增至681mm，增幅350 mm，煤柱寬度對圍巖變形的影響十分明顯，增幅劇烈。

（4）由于窄小煤柱的穩(wěn)定性直接關系到沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，也就是決定著沿空巷道圍巖變形是否最小。因此，在實際工程如何選擇應根據煤柱是否穩(wěn)定來考慮，最好選擇煤柱寬度在2～4m范圍內。

綜合以上分析，最合理煤柱寬度在2～4m范圍內。

圖4 不同煤柱寬度的沿空巷道圍巖變形

4 結論

經過在不同煤柱寬度條件下對沿空送巷圍巖影響的數值模擬成果分析，得出以下結論：

（1）當煤柱寬度在2m以內時，沿空巷道和護巷煤柱都處于低應力區(qū)，當煤柱寬度達到一定程度時，煤柱核心部位會出現一個應力增高的核心區(qū)，并隨著煤柱寬度的增大而增大，范圍大致在5～20MPa左右。沿空巷道的采空區(qū)邊緣出現低應力區(qū)，范圍在2.5～5MPa左右。

（2）隨著煤柱寬度的增大，煤柱上的垂直應力有明顯的增大趨勢，在沿空巷道下幫煤體內、深度大致在6～8 m范圍內，將會出現垂直應力高峰區(qū)，最大值大致在32～37MPa范圍內。從煤柱和沿空巷道上方所承受的垂直應力分布規(guī)律來看，在保障巷道圍巖穩(wěn)定的前提下煤柱寬度越小，越有利于沿空巷道的圍巖變形控制。

（3）在0～2m煤柱寬度范圍內，無煤柱的沿空巷道的圍巖變形比2m煤柱的圍巖變形大得多。在2～8m煤柱寬度范圍內，隨著煤柱寬度的增加，圍巖變形也隨之增大，2～4m煤柱寬度范圍圍巖變形的速度增長較緩慢。當護巷煤柱寬度增長到一定程度后，頂底的圍巖增長速度會超過兩幫。開采深度為700m條件下最合理煤柱寬度在2～4 m范圍內。

［1］ 劉貴，徐乃忠，鄒友平.全采區(qū)與條采區(qū)隔離煤柱留設寬度研究［J］.中國煤炭，2011（1）

［2］ 宋成標.極近距離不穩(wěn)定煤層聯合開采護巷煤柱寬度的探討［J］.中國煤炭，2011（5）

［3］ 唐治，潘一山，閻海鵬等.傾斜煤柱開采后對巷道影響的數值模擬［J］.中國地質災害與防治學報，2010（2）

［4］ 勾攀峰，張振普，韋四江.不同水平應力作用下巷道圍巖破壞特征的物理模擬試驗［J］.煤炭學報，2009（10）

［5］ 奚家米，毛久海，楊更社等.沿空掘巷合理煤柱寬度綜合分析與確定［J］.煤田地質與勘探，2008（4）

［6］ 王連國，繆協興.煤柱失穩(wěn)的突變學特征研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2007（1）

Analysis of the impact of width of coal pillar on the surrounding rock of the gob－side entry

Zhong Lin
（Liaoning Provincial Communications Planning ＆Design Institute，Shenyang，Liaoning 110166，China）

In order to study the impact of the width of coal pillar on the surrounding rock of the gob－side entry，taking the deep gob－side entry in Chensilou Coal Mine as the engineering background，the paper adopts the finite difference software FLAC2Dto build two－dimension numerical model to calculate and analyze the impact of the coal pillar in different width on the surrounding rock in the conditions of the same mining depth.The results indicate that the surrounding rock stress of the gob－side entry will gradually rise with the coal pillar width increasing；when the pillar width is small the surrounding rock will be in low stress zone；the low stress will be segmented at the middle part of the coal pillar when the pillar width is up to a certain extent，and stress increasing zone will appear at the core area in middle part of the coal pillar.Vertical stress peak zone will emerge in a depth of 6～8min the coal body of lying side of the gob－side entry and so it is better to remain a coal pillar in a width of 2～4m.

gob－side entry，width of coal pillar，surrounding rock stress，surrounding rock deformation，numerical model

TD322

A

鐘林（1983－），男，漢族，碩士，湖南郴州人，畢業(yè)于西南交通大學土木學院，現工作于遼寧省交通規(guī)劃設計院，研究方向為隧道與地下工程。

（責任編輯 張毅玲）