耿增達(dá)

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100）

護(hù)巷煤柱寬度合理性模擬分析及工程應(yīng)用

耿增達(dá)

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100）

護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度的大小直接關(guān)系到巷道受鄰近工作面采動(dòng)破壞程度，本文首先對(duì)山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司吉安煤業(yè)工作面地質(zhì)及煤層賦存情況進(jìn)行了闡述，然后運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道變形的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析出不同護(hù)巷煤柱寬度下支承壓力分布規(guī)律，得出合理的護(hù)巷寬度，以達(dá)到最大限度降低巷道維護(hù)費(fèi)用和最大限度地回收煤炭資源的目的。

護(hù)巷煤柱寬度；采動(dòng)破壞；FLAC3D；支承壓力分布規(guī)律

1 工程概況

3號(hào)煤層頂、底板的工程地質(zhì)特征：吉安煤業(yè)3102工作面現(xiàn)開采煤層為3號(hào)煤，位于山西組下部，上距K8砂巖28.37-39.60m，平均33.47m。下距K7砂巖3.83-20.03m，平均13.05m，下距8-2號(hào)煤層50.98-58.52m，平均54.39m，3號(hào)煤層厚5.80-7.27m，平均厚6.64m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含一層夾矸，層位、厚度均穩(wěn)定。

3號(hào)煤層偽頂為灰黑色泥巖，易垮落，厚0.90m；直接頂板多為灰色及深灰色砂質(zhì)泥巖，層理發(fā)育，易垮落，一般6.94m左右；老頂為灰色、深灰色的砂巖，厚度4.76m。3號(hào)煤層底板為砂質(zhì)泥巖，厚度1.1m。

另據(jù)礦井調(diào)查，井田內(nèi)原有煤礦開采3號(hào)煤層，均采用壁式采煤法，一次采全高，全部跨落法管理法，工作面梯形木棚支護(hù)，頂板較易管理。相鄰礦井開采3號(hào)煤層，均為走向長(zhǎng)壁傾斜分層全部冒落式開采或開天窗放頂煤一次采全高新工藝開采，頂板易于管理。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

本次計(jì)算采用FLAC3D模擬軟件對(duì)3102采空區(qū)周圍煤壁支承壓力以及3101運(yùn)輸順槽選擇不同位置是巷道圍巖應(yīng)力及變形破壞規(guī)律進(jìn)行模擬分析。

2.1 建立計(jì)算模型

設(shè)計(jì)模型幾何尺寸為3#煤設(shè)計(jì)模型幾何尺寸為150m×50m×40m（x×y×z）。其中煤層走向方向?yàn)槟Ｐ蛒方向，傾向方向?yàn)閥方向，鉛垂方向?yàn)閦方向。模型劃分網(wǎng)格時(shí)，使重點(diǎn)分析區(qū)域的網(wǎng)格盡可能小，并且形狀規(guī)則，全部為8節(jié)點(diǎn)六面體單元，不出現(xiàn)畸形單元。模型邊界條件具體界定如下：以分析吉安煤業(yè)3102采空區(qū)及3101運(yùn)輸順槽所在的3#煤層底板以上20m作為上邊界，3#煤層頂板以下20m作為下邊界，采空區(qū)左邊緣實(shí)體煤壁為60m，3501采空區(qū)占模型長(zhǎng)度90m，采空區(qū)90m以外對(duì)左側(cè)煤壁的影響可以忽略不計(jì)，因此不用建在模型之內(nèi)。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 吉安3#煤層開采模擬模型圖

2.2 模型參數(shù)的選取

為了客觀的、真實(shí)的反映3#煤層開采時(shí)的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律和對(duì)煤壁的影響，模型中巖石的賦存情況、巖性、厚度以及力學(xué)參數(shù)都應(yīng)該參考實(shí)際參數(shù)，把煤層上下方分別20m范圍內(nèi)的巖層賦予相應(yīng)的參數(shù)，模型中主要巖層的巖性、厚度以及力學(xué)參數(shù)見表1所列。

表1 3#煤層頂?shù)装遒x存特征與力學(xué)參數(shù)

3 不同護(hù)巷煤柱寬度尺寸支承應(yīng)力分布情況

圖2 3101運(yùn)輸順槽巷道圍巖及煤柱中豎直應(yīng)力云圖

分別模擬計(jì)算3101運(yùn)輸順槽與3102采空區(qū)之間的護(hù)巷煤柱尺寸分別為5m、10m、15m、20m時(shí)，巷道圍巖及煤柱中的應(yīng)力第二次重新分布情況，得出的不同護(hù)巷煤柱寬度豎直應(yīng)力云圖如圖2所示。

由圖2中可以看出，護(hù)巷煤柱為5m、10m時(shí)巷道受到3102工作面采空區(qū)邊緣支承壓力影響較大, 最大支承壓力9.8MPa，巷道附近煤層埋深170m，原巖應(yīng)力約為4.2MPa，煤柱中承受的最大豎直應(yīng)力約為原巖應(yīng)力的2.3倍，煤柱整體承受了較大的支承應(yīng)力。留15m護(hù)巷煤柱時(shí)，巷道仍然受到3102工作面采空區(qū)邊緣支承壓力的影響，但離支承壓力峰值點(diǎn)較原，對(duì)巷道的影響較小。留20m護(hù)巷煤柱時(shí)，巷道幾乎未受到采空區(qū)支承壓力的影響。煤柱中支承壓力曲線如圖3所示。

由圖3中4組不同煤柱寬度支承壓力曲線圖可以看出：煤柱寬度越大，巷道圍巖應(yīng)力越小，3102采空區(qū)對(duì)3101運(yùn)輸順槽的影響程度越小。

圖3 不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)煤柱中支承壓力曲線

圖4 不同護(hù)巷煤柱時(shí)巷道圍巖塑性變形破壞特征

4 不同護(hù)巷煤柱尺寸下巷道圍巖破壞及變形特征

模擬分析3101運(yùn)輸順槽的護(hù)巷煤柱分別為5m、10m、15m及20m四種不同護(hù)巷煤柱尺寸下巷道圍巖的變形破壞特征，得出的巷道及煤柱塑性破壞區(qū)圖如4所示，藍(lán)色部分表示煤沿體的彈性區(qū)，這部分煤巖體未受到塑性破壞，其余顏色均表示煤巖體受到不同程度的塑性破壞。

由圖4 a可以看出：3101運(yùn)輸順槽留設(shè)5m煤柱時(shí)，煤柱整體出現(xiàn)塑性破壞，這種情況下煤柱被壓塌；護(hù)巷煤柱為10m、15m、20m時(shí)巷道煤柱一側(cè)均出現(xiàn)1m左右的塑性區(qū)，20m煤柱時(shí)巷道右?guī)蜕喜砍霈F(xiàn)1m左右的塑性破壞區(qū)。另外根據(jù)巷道兩幫最大位移量的監(jiān)測(cè)：20m煤柱時(shí)右?guī)臀灰屏?.9cm，左幫1.9cm，巷道兩幫鼓起量很??；15m煤柱時(shí)，巷道右?guī)?8cm，左幫14cm，整體最大位移量約；0.32m；10m煤柱時(shí)，巷道右?guī)妥畲笪灰屏?1cm，左幫24cm，最大位移量為0.65m；5m煤柱時(shí)，右?guī)?2m，左幫29m，最大位移量0.71m。

5 結(jié)論及建議

通過FLAC3D軟件以吉安煤業(yè)地質(zhì)條件為背景，模擬分析了3101運(yùn)輸順槽分別布置在距3102工作面采空區(qū)5m、10m、15m、20m煤柱時(shí)巷道圍巖應(yīng)力變化情況及巷道兩幫變形破壞區(qū)情況，并參考了相鄰礦井潞安王莊煤業(yè)煤柱留設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和放頂煤工作面頂板垮落情況的一些數(shù)據(jù)，對(duì)吉安3101運(yùn)輸順槽護(hù)巷煤柱寬度選擇得出了以下結(jié)論，并提出了一些合理性建議：

（1）留20m護(hù)巷煤柱時(shí)，巷道兩幫移近量接近于0m，3102工作面對(duì)3101運(yùn)輸順槽采動(dòng)影響很小，留設(shè)20m煤柱時(shí)巷道最易維護(hù)。

（2）留15m護(hù)巷煤柱時(shí)，巷道受到3102采空區(qū)邊緣支承壓力影響較小，巷道兩幫最大移近量約為0.32m，考慮到3101運(yùn)輸順槽作為3101工作面運(yùn)巷使用，巷道內(nèi)將來會(huì)布置電器列車以及皮帶運(yùn)輸機(jī)，巷道變形對(duì)回采工作面正常生產(chǎn)影響較大，如留15m煤柱時(shí)，建議將巷道設(shè)計(jì)斷面寬度增大0.3-0.5m，避免兩幫出現(xiàn)變形后帶來的修巷麻煩。

（3）留10m護(hù)巷煤柱時(shí)，煤柱承受的支承壓力整體較大，巷道兩幫移近量也較大，若留10m煤柱布置作為風(fēng)巷順槽使用時(shí)，能滿足巷道的通風(fēng)、運(yùn)輸材料的要求，可考慮留設(shè)10m護(hù)巷煤柱，作為運(yùn)輸順槽使用，不建議留設(shè)10m煤柱。

（4）留5m護(hù)巷煤柱時(shí)，整個(gè)煤柱被壓塑，這種情況下如果兩個(gè)工作面能夠?qū)崿F(xiàn)跳采，并且巷道掘出后對(duì)煤柱兩幫用水泥砂漿錨噴后，再對(duì)煤柱進(jìn)行注漿加固，留下的巷道可作為下個(gè)工作面的回風(fēng)順槽使用，就吉安煤業(yè)實(shí)際情況，不推薦留設(shè)5m小煤柱。

綜上所述：吉安煤業(yè)3#煤煤層埋深較淺，頂板易垮落，巷道圍巖應(yīng)力較小，可考慮留小煤柱掘巷。從最大限度回收煤炭資源角度考慮，3101運(yùn)輸順槽可在3102工作面附近留設(shè)15m的護(hù)巷煤柱，建議將巷道斷面設(shè)計(jì)尺寸寬度增加0.3-0.5m，以滿足巷道兩幫出現(xiàn)輕微的變形后還能滿足巷道布置皮帶及機(jī)電列車的需要。若3101運(yùn)輸順槽若能改為回風(fēng)順槽使用，可考慮將護(hù)巷煤柱留設(shè)為10m左右，便能滿足巷道通風(fēng)運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

耿增達(dá)（1964—），男，山西長(zhǎng)治人，從事煤礦安全技術(shù)研究及管理工作。