王繼林 陳 芳 屠洪盛

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.潞安環(huán)能公司五陽煤礦，山西省長治市，046205；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

五陽煤礦孤島綜放工作面合理護(hù)巷煤柱寬度研究

王繼林1，2陳 芳3屠洪盛3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.潞安環(huán)能公司五陽煤礦，山西省長治市，046205；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

為確定五陽煤礦“孤島”綜放工作面合理護(hù)巷煤柱寬度，控制回采巷道變形破壞，以7603工作面為工程背景，采用三維有限差分軟件FLAC3D，對(duì)不同護(hù)巷煤柱寬度條件下的回采巷道圍巖應(yīng)力分布和塑性區(qū)發(fā)育特征進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：該工作面合理的護(hù)巷煤柱寬度為22.5m。

孤島綜放工作面 保護(hù)煤柱 數(shù)值模擬

孤島工作面回采，由于工作面周圍均已采空，圍巖壓力大，巷道變形破壞十分嚴(yán)重，對(duì)工作面回采影響極大。軟煤孤島工作面掘進(jìn)巷道時(shí)，由于巷道一側(cè)已采空，使巷道側(cè)煤體應(yīng)力集中，加上煤體本身松軟，巷道圍巖破碎嚴(yán)重，給支護(hù)帶來很大困難，因此軟煤層孤島工作面巷道掘進(jìn)支護(hù)及頂板的管理相當(dāng)困難。在軟巖巷道掘出后圍巖壓力集中使圍巖強(qiáng)度降低，并逐漸使巷道兩幫圍巖表層松動(dòng)區(qū)破裂，導(dǎo)致破裂帶向圍巖深部發(fā)展，使松動(dòng)區(qū)圍巖先失去自承能力，直到冒落片幫，加大松動(dòng)區(qū)的范圍。為了解決這一問題，通過留設(shè)合理尺寸的保護(hù)煤柱，保證煤柱的支撐護(hù)巷能力，可以大大降低巷道支護(hù)及維護(hù)難度。因此，運(yùn)用FLAC3D模擬不同煤柱寬度對(duì)孤島工作面回采巷道應(yīng)力分布、塑性區(qū)范圍的影響，可以得出合理的護(hù)巷煤柱寬度。在留設(shè)孤島工作面回采巷道保護(hù)煤柱時(shí)應(yīng)該充分考慮最大支撐應(yīng)力范圍，從而確定保護(hù)煤柱尺寸，使回采巷道避開應(yīng)力較高區(qū)，確?；夭上锏婪€(wěn)定性。

1 地質(zhì)概述

五陽煤礦7603孤島工作面位于3＃煤層＋600m水平，埋深470m左右，工作面傾斜布置，走向開采，傾斜長度為275m，走向長度2166 m。據(jù)7603工作面實(shí)測的數(shù)據(jù)：該煤層總厚度為5.2～6.81m，平均煤厚6.11m，煤層傾角為7～14°，平均11°，煤層賦存穩(wěn)定，煤層的普氏系數(shù)為0.8～1.0，屬偏軟煤層。煤層頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。該工作面的應(yīng)力集中程度相對(duì)較大，對(duì)掘進(jìn)、支護(hù)和生產(chǎn)造成一定的困難。

圖1 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

2 保護(hù)煤柱尺寸的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

運(yùn)用FLAC3D模擬不同保護(hù)煤柱寬度對(duì)回采巷道圍巖應(yīng)力分布和巷道變形特征比較合適。由于FLAC3D不能模擬巖層跨落，當(dāng)巖層達(dá)到極限平衡以后，就不能繼續(xù)計(jì)算，所以本模型在建模時(shí)，工作面推進(jìn)長度應(yīng)大于周期來壓步距，本文工作面推進(jìn)長度設(shè)定為50m。在設(shè)定的推進(jìn)長度內(nèi)，7603工作面兩側(cè)的工作面已達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，研究7603孤島工作面不同尺寸保護(hù)煤柱的圍巖力學(xué)特征。在傾向方向，7603工作面上方和下方分別為7601工作面和7605工作面（已采空），工作面傾斜長度為200m，根據(jù)煤巖層特性、兩側(cè)采動(dòng)情況和巖層移動(dòng)情況，在7601工作面上部和7603工作面下部各留50m煤柱。三維數(shù)值模擬采用長方體，模型范圍為長760m、寬50m、高182m，本模型共有135000個(gè)單元塊，152306個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬煤柱寬度計(jì)算模型

2.2 模型參數(shù)

模擬孤島工作面的頂?shù)装鍘r層特征及其實(shí)驗(yàn)室測定的力學(xué)性質(zhì)見表1。在模型的計(jì)算中采用莫爾－庫倫準(zhǔn)則作為巖體的破壞準(zhǔn)則。模型的側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底面限制垂直移動(dòng)，模型上部邊界為應(yīng)力條件，通過在上部邊界施加應(yīng)力來代替上覆巖層的重量。根據(jù)實(shí)測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量，模型平均埋深470m，上覆巖層的平均密度近似為2500kg／m3，由式（1）計(jì)算得出加在模型上部邊界的應(yīng)力應(yīng)為11.75MPa。

式中：σz——垂直應(yīng)力，MPa；

γ——上覆巖層的平均密度，kN／m3；

H——單元體距離地表的深度，m。

隨著深度的增加原巖應(yīng)力逐漸增大，模型的前后、左右及下部邊界采用鉸接固定。

表1 模型各巖層的力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

（1）垂直應(yīng)力。在采用不同寬度的護(hù)巷煤柱條件下，模擬護(hù)巷煤柱的變形破壞區(qū)域，結(jié)果見圖3。

不同煤柱尺寸，在垂直應(yīng)力作用下煤柱本身發(fā)生的支承壓力狀態(tài)表現(xiàn)不一樣。從圖3可以看出，對(duì)于10m、15m和17.5m寬的煤柱，巷道開挖所產(chǎn)生的應(yīng)力重新分布表現(xiàn)為煤柱中部應(yīng)力降低區(qū)與穩(wěn)定區(qū)都很小或消失，使得煤柱產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，很容易發(fā)生破壞，喪失了支持作用。從20m開始煤柱中部應(yīng)力降低區(qū)與穩(wěn)定區(qū)加大，煤柱存在明顯的穩(wěn)定區(qū)（核區(qū)）。可以看出當(dāng)煤柱寬度為20 m時(shí)開始，煤柱存在一定寬度的穩(wěn)定區(qū)，具有一定程度的護(hù)巷能力。

（2）煤柱破壞情況。不同寬度煤柱情況下煤柱的破壞情況見圖4所示。

不同煤柱尺寸，煤柱本身發(fā)生的破壞狀態(tài)表現(xiàn)不一樣。從圖4中可以看出，對(duì)于10m、15m和17.5m寬的煤柱，巷道開挖所產(chǎn)生的塑性區(qū)與采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)均進(jìn)行了不同程度的疊加，使得煤柱完全破壞，喪失了支持作用。從22.5m開始，兩個(gè)塑性區(qū)開始分開，到了25m寬的煤柱情況下，兩個(gè)塑性區(qū)距離為2.5m左右?？梢钥闯霎?dāng)煤柱寬度為20m時(shí)開始，煤柱的破壞程度較小，具有一定程度的支撐能力。因此，對(duì)孤島工作面而言，保護(hù)煤柱寬度應(yīng)大于或等于20m時(shí)才能保證保護(hù)煤柱不失穩(wěn)，回采巷道變形較小。

為了保證礦井的安全生產(chǎn)，提高煤柱的安全系數(shù)，同時(shí)也為錨桿支護(hù)提供更好的條件，因此，選擇合理的煤柱寬度為22.5m。

4 小結(jié)

（1）運(yùn)用FLAC3D對(duì)煤柱的合理寬度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過模擬結(jié)果得到了保護(hù)煤柱的最小寬度為20m，確定了五陽礦7603孤島綜放面保護(hù)煤柱尺寸為22.5m。

（2）數(shù)值模擬表明，7603工作面煤柱的寬度對(duì)回采巷道變形有很大影響，隨著煤柱寬度的增加巷道變形量逐漸減小，煤柱支撐能力逐漸加強(qiáng)，合理煤柱寬度可減小回采巷道維護(hù)難度。

（3）通過數(shù)值模擬對(duì)比的方法得出提高塑性區(qū)煤體強(qiáng)度可以提高護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性和承載能力，從而可以減小護(hù)巷煤柱的尺寸。

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Research on reasonable width of protective coal pillar in isolated fully－mechanized working face of Wuyang Coal Mine

Wang Jilin1，2，Chen Fang3，Tu Hongsheng3
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China；2.Wuyang Coal Mine，Shanxi Lu＇an Environment and Energy Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 046205，China；3.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

In order to confirm the reasonable width of protective coal pillar in isolated fullymechanized working face of Wuyang coal mine for the purpose of controlling the deformation and failure of mining roadway，the stress distribution of surrounding rock and the developing characteristics of plastic zone in No.7603working face were simulated by using FLAC3Dnumerical simulation software under the conditions of different coal pillar widths.The results showed that the reasonable width of the protective coal pillar should be 22.5mfor this working face.

isolated fully－mechanized working face，protective coal pillar，numerical simulation

TD353

B

王繼林（1969－），男，河南夏邑人，現(xiàn)任五陽煤礦副礦長，高級(jí)工程師，2009年獲得中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系碩士學(xué)位，主要從事采煤方法與巖層控制方面研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）