趙則龍，張 磊

(1.山東省徐莊生建煤礦十四監(jiān)區(qū)，山東棗莊 277514;2.山東省徐莊生建煤礦安全辦，山東棗莊 277514)

0 引言

關(guān)于煤柱合理留設(shè)寬度問題，前人做了大量的研究，總結(jié)出了很多行之有效的煤柱合理尺寸確定的方法。主要集中在［1～5］:1)對大量實測結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計、歸納推理得出不穩(wěn)定圍巖條件下護(hù)巷煤柱尺寸;2)運用礦山壓力規(guī)律留設(shè)各種煤柱的方法及經(jīng)驗公式對煤柱合理的尺寸進(jìn)行分析;3)用現(xiàn)場實測煤柱支承壓力分布方法分析給出煤層回采巷道的合理煤柱寬度范圍;4)根據(jù)巖體的極限平衡理論推導(dǎo)出護(hù)巷煤住保持穩(wěn)定狀態(tài)時的寬度計算公式;5)從理論上推導(dǎo)出三維應(yīng)力狀態(tài)下估算煤柱塑性區(qū)寬度的理論公式。

由于現(xiàn)場實測需要安設(shè)大量的設(shè)備，花費較高，費時較長;理論計算給出的煤柱寬度范圍較大，不具備現(xiàn)場指導(dǎo)性。數(shù)值模擬具有反復(fù)模擬的功能，具有較強的靈活性和任意性，其不受時間、空間、條件的限制，這一優(yōu)勢使其成為一個解決實際問題的一個強大的工具。因此，本文擬從數(shù)值模擬的角度對東勝區(qū)某礦2203工作面不同寬度區(qū)段煤柱下巷道圍巖應(yīng)力與運動進(jìn)行分析研究，通過對比分析，給出該工作面的合理區(qū)段煤柱留設(shè)寬度。

該煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，2203工作面為22煤采區(qū)第二個工作面，工作切眼長度為180 m，走向長度為1683 m，布置在礦井一水平22上煤層中，該工作面四周及上下煤層均未開采，均為石炭區(qū)，煤層平均厚度6 m，煤層傾角為0～5°。22上煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含1～2層夾矸，由于沉積環(huán)境為湖相沉積，煤層厚度及夾石厚度變化較大，煤層厚度4.6～10.6 m，夾石厚度0.3～1.9 m，21下煤和22上煤同屬2煤組，由于夾石厚度變化較大，21下煤、22上煤出現(xiàn)分合層情況。該礦在做初步設(shè)計時，預(yù)留煤柱寬度為20 m，實際開采過程中，巷道變形較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯，為了節(jié)約煤炭資源，減小預(yù)設(shè)煤柱寬度，礦方?jīng)Q定采用本文的研究方式來解決。

2 模型建立及參數(shù)選取

1)模型幾何尺寸:模型走向長240 m，傾向1736 m，埋深148 m。模型中巖層包括開挖煤層與頂?shù)装寮吧喜扛采w的所有基巖層和松散層，其中煤層傾角0°，模擬采高6.2 m，工作面沿頂煤推進(jìn)，沿傾向開采?；夭上锏澜孛嫘螤顬榫匦危瑢? m，高5 m，沿底板掘進(jìn)。為了計算準(zhǔn)確更加精確，在開挖巷道周圍位置附近加密網(wǎng)格的劃分。所建三維計算模型網(wǎng)格及垂直應(yīng)力分布情況如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型及垂直應(yīng)力分布圖

2)模擬方案及回采過程:本次數(shù)值模擬分別模擬煤柱寬度為10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m條件下，隨著工作面推進(jìn)，巷道圍巖的應(yīng)力和變形破壞規(guī)律。工作面采用分步開挖，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，取老頂初次來壓步距為22 m，周期來壓步距為11 m。

3)模型邊界條件:巷道完全在實體煤中掘進(jìn)，左側(cè)為工作面，右側(cè)為實體煤，為消除邊界效應(yīng)，工作面走向兩端各留40 m煤柱。整個模型在前、后，左、右及下部均為固定邊界，沒有水平位移，即Sx=0，Sy=0，模型上表面為地表，設(shè)為自由面，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型邊界條件示意圖

模擬計算采用參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

3 不同寬度區(qū)段煤柱下巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

為了研究不同寬度煤柱條件下巷道的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，取回采巷道50 m處截面垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行比較，如圖3所示。

從圖3中可以看出，由于受上區(qū)段工作面采動的影響，沿空巷道兩側(cè)均形成應(yīng)力集中帶，并且頂板、底板呈現(xiàn)為“拱狀”卸壓帶。

1)煤柱寬度為10 m時，巷道頂板和底板出現(xiàn)大范圍卸壓區(qū)，頂板泄壓區(qū)范圍達(dá)3.2 m，底板卸壓區(qū)達(dá)2.4 m;煤柱中應(yīng)力分布區(qū)域劃分明顯，其左右兩側(cè)煤體，即上區(qū)段采空區(qū)側(cè)與巷道側(cè)支承壓力較小，約為0.42 MPa，而在中部支承壓力較大約為4.35 MPa，只是高應(yīng)力區(qū)域范圍較小，占煤柱寬度的8%左右;

2)煤柱寬度為12 m時的應(yīng)力分布情況與煤柱寬度10 m時接近，所不同的是煤柱中高應(yīng)力區(qū)域范圍逐漸變大，約占煤柱寬度的28%，而且煤柱兩側(cè)與中部的應(yīng)力差也逐漸減小，其中，煤柱兩側(cè)支承壓力約0.93 MPa，而煤柱中部支承壓力約3.92 MPa;

3)當(dāng)煤柱寬度為14 m時，煤柱中約占寬度46%的煤體受支承壓力在3.52 MPa，而大部分煤柱受力約為2.53 MPa;

4)當(dāng)煤柱寬度為16 m時，煤柱中有約占寬度68%的煤體受支承壓力為3.21 MPa，而大部分煤柱受力約為2.64 MPa;

5)當(dāng)煤柱寬度為18 m時，煤柱中有約占寬度20%的煤體受支承壓力在3.15 MPa，而大部分煤柱受力約為3.58 MPa。

由上述分析可以看出，隨著煤柱寬度進(jìn)一步加大，巷道頂、底板所受支承壓力逐漸減小，而煤柱中雖然存在一定的應(yīng)力集中，但是應(yīng)力集中程度逐漸降低，煤柱中應(yīng)力分布區(qū)域劃分逐漸模糊，大小主應(yīng)力差逐漸減小，煤柱在整個寬度方向上受力趨于均衡。

1)煤柱寬度為10 m時，巷道沿空側(cè)的應(yīng)力集中處離幫1.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.719，劇烈影響范圍0.6 m，影響范圍為2.7 m;巷道實體煤側(cè)的應(yīng)力集中處離幫0.9 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.591，劇烈影響范圍1.6 m，影響范圍為2.8 m;

2)煤柱寬度為12 m時，巷道沿空側(cè)的應(yīng)力集中處離幫1.2 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.533，劇烈影響范圍2.2 m，影響范圍大于4 m;巷道實體煤側(cè)的應(yīng)力集中處離幫0.8 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.456，劇烈影響范圍1.6 m，影響范圍為3 m;

3)煤柱寬度為14 m時，巷道沿空側(cè)的應(yīng)力集中處離幫1 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.521，劇烈影響范圍1.8 m，影響范圍為5 m;巷道實體煤側(cè)的應(yīng)力集中處離幫距離小于1 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.492，劇烈影響范圍1.3 m，影響范圍略小于3 m;

4)煤柱寬度為16 m時，巷道沿空側(cè)的應(yīng)力集中處離幫1 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.525，劇烈影響范圍2 m，影響范圍為5.7 m;巷道實體煤側(cè)的的應(yīng)力集中處離幫0.7 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.503，劇烈影響范圍1.4 m，影響范圍3 m;

圖3 不同寬度煤柱條件下垂直應(yīng)力及巷道周邊垂直應(yīng)力局部放大圖

5)煤柱寬度為18 m時，巷道沿空側(cè)的應(yīng)力集中處離幫0.8 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.517，劇烈影響范圍1.6 m，影響范圍為6.4 m;巷道實體煤側(cè)的的應(yīng)力集中處離幫0.6 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.48，劇烈影響范圍1.2 m，影響范圍2.8 m;

6)煤柱寬度為20 m時，巷道沿空側(cè)集中處離幫0.6 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.484，劇烈影響范圍1.5 m，影響范圍4 m;巷道實體煤側(cè)的應(yīng)力集中處離幫0.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.455，劇烈影響范圍1 m，影響范圍為3 m。隨著煤柱寬度的加大，沿空巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中范圍逐漸縮小，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸降低。

綜上所述，隨著煤柱寬度的增大，煤柱應(yīng)力集中范圍越來越小，應(yīng)力集中系數(shù)越來越小，逐漸呈現(xiàn)均勻承載現(xiàn)象。煤柱寬度10～14 m時，變化幅度最大。16～20 m時，變化較為平緩。

4 不同寬度區(qū)段煤柱下巷道圍巖變形規(guī)律

為了研究不同寬度區(qū)段煤柱條件下巷道圍巖變形規(guī)律，在巷道內(nèi)設(shè)置4個監(jiān)測點，來記錄頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟?。不同寬度煤柱巷道圍巖變形隨煤柱寬度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同寬度煤柱條件下巷道圍巖變形曲線圖

從上圖4可以看出，隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖位移量逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度為10 m時圍巖位移量最大，頂板位移量為62.84 mm，底板位移量為17.08 mm，左幫位移量為21.13 mm，右?guī)臀灰屏?7.7 mm，當(dāng)煤柱寬度為20 m時圍巖位移量最小。通過巷道圍巖位移曲線圖可以看出清晰看出，當(dāng)煤柱寬度為10～14 m時，巷道圍巖變形變化幅度較明顯，當(dāng)煤柱寬度為16～20 m時，巷道圍巖變形幾乎保持不變。

5 不同寬度區(qū)段煤柱下巷道圍巖破壞規(guī)律

為了研究不同寬度煤柱條件下巷道圍巖破壞規(guī)律，取回采巷道50 m處巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行比較，統(tǒng)計了不同寬度煤柱條件下巷道圍巖破壞尺寸，如表2所示。

表2 不同寬度煤柱下巷道圍巖塑性區(qū)尺寸

從上表2中可以看出，當(dāng)煤柱寬度為10 m時，在煤柱和巷道的共同作用下，煤柱幾乎全部為塑性，巷道圍巖也均出現(xiàn)不同程度破壞，巷道頂板塑性區(qū)深度為2.75 m，因為底板較為堅硬故底板塑性區(qū)深度較小為0.75 m，實體煤幫塑性區(qū)深度為3.7 m，煤柱支撐能力較差，塑性變形難于控制;圍巖塑性區(qū)類型主要表現(xiàn)為剪切塑性區(qū)擴展，頂板為受拉塑性區(qū)擴展，其原因主要時因為老頂在巷道上方向采空區(qū)回轉(zhuǎn)，以及由于工作面回采造成煤柱上應(yīng)力集中而引起，巷道底板及實體煤幫相對破壞程度較輕，只是處于塑性流動狀態(tài)，而巷道表面四周圍巖基本破壞。當(dāng)煤柱寬度為12 m時，巷道表面四周圍巖仍存在破壞區(qū)域，但是比煤柱寬度10 m時有所減少，煤柱靠近采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)范圍仍然很大達(dá)5.8 m，巷道煤柱側(cè)塑性區(qū)范圍達(dá)3.6 m，煤柱破壞仍相當(dāng)嚴(yán)重。巷道實體煤幫塑性區(qū)深度3 m，兩幫煤體塑性區(qū)類型為剪切屈服，巷道頂板破壞深度1.5 m左右，底板塑性區(qū)深度為0.5 m，塑性區(qū)類型仍以剪切屈服為主。當(dāng)煤柱寬度為14 m時，巷道圍巖的破壞主要集中煤柱靠采空區(qū)一側(cè)，塑性區(qū)范圍達(dá)5.2 m，巷道靠近煤柱側(cè)破壞范圍達(dá)2.4 m，巷道實體煤幫塑性區(qū)深度1.8 m，巷道頂板破壞深度1.3 m左右，底板塑性區(qū)深度為0.38 m。當(dāng)煤柱寬度為16 m時，煤柱中部存在約4.5 m寬的彈性核，煤柱靠近采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)達(dá)4.8 m，巷道幫部塑性區(qū)深度1 m左右，兩幫煤體塑性區(qū)類型為剪切屈服，巷道頂板破壞深度小于1.13 m，底板破壞深度略小于0.3 m。煤柱寬度為18 m時，煤柱中部彈性核寬度為7 m，巷道幫部塑性區(qū)深度1 m，兩幫煤體塑性區(qū)類型為剪切屈服，巷道頂板塑性區(qū)深度0.96 m，底板破壞深度0.3 m。煤柱寬度為20 m時，受煤柱高應(yīng)力影響較小，巷道深部圍巖整體完整性較好，頂?shù)装寮皟蓭推茐膮^(qū)減少，但受上區(qū)段工作面回采擾動影響，巷道表面塑性區(qū)范圍和18 m時相差不大。

通過前面的分析可知，隨著煤柱寬度的增加，煤柱塑性區(qū)逐漸減小，巷道圍巖塑性區(qū)范圍也逐漸減小，通過不同煤柱寬度巷道圍巖塑性區(qū)柱狀圖可以清晰的看出當(dāng)煤柱寬度為10～14 m時，煤柱及巷道圍巖塑性區(qū)范圍變化較大，當(dāng)煤柱寬度16～20 m時較為緩和?？梢钥闯?，隨著煤柱寬度的增大，煤柱彈性核的范圍越大，煤柱越穩(wěn)定，但煤柱過寬會造成資源的浪費。綜合以上分析結(jié)果，當(dāng)區(qū)段煤柱的尺寸在14～16 m之間時，對巷道維護(hù)極為有利。

6 結(jié)論

本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件通過建立模型對不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應(yīng)力、變形及破壞規(guī)律進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

1)隨著煤柱寬度的增大，煤柱應(yīng)力集中范圍越來越小，應(yīng)力集中系數(shù)越來越小，逐漸呈現(xiàn)均勻承載現(xiàn)象。煤柱寬度10～14 m時，變化幅度最大。16～20 m時，變化較為平緩;

2)隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖位移量逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度為10 m時圍巖位移量最大，頂板位移量為62.84 mm，底板位移量為17.08 mm，左幫位移量為21.13 mm，右?guī)臀灰屏?7.7 mm。當(dāng)煤柱寬度為10～14 m時，巷道圍巖變形變化幅度較明顯，當(dāng)煤柱寬度為16～20 m時，巷道圍巖變形幾乎保持不變;

3)隨著煤柱寬度的增加，煤柱塑性區(qū)逐漸減小，巷道圍巖塑性區(qū)范圍也逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度為10～14 m時，煤柱及巷道圍巖塑性區(qū)范圍變化較大，當(dāng)煤柱寬度16～20 m時較為緩和;

4)通過對不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應(yīng)力、變形及破壞情況分析，可以看出，隨著煤柱寬度的增大，煤柱彈性核的范圍越大，煤柱越穩(wěn)定，回采巷道越安全，考慮到煤柱過寬會造成資源的浪費，最終確定合理的區(qū)段煤柱尺寸在14～16 m之間。

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