楊利剛，孫中光

(1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400039)

護巷煤柱寬度是工作面開采設計的重要參數(shù)，煤柱的寬度決定了回采引起的支承壓力對巷道的影響程度[1]，合理的煤柱寬度直接決定了煤炭的采出率，同時影響到巷道的使用效率和維護成本。因此，合理確定護巷煤柱的寬度對提高采區(qū)采出率和維護工作面安全生產(chǎn)有著非常重要的意義[2-3]。

關(guān)于煤柱合理留設寬度問題，前人做了大量的研究，總結(jié)出了很多確定煤柱合理尺寸的方法[1,3-6]：1) 由大量實測結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計、歸納推理得出不穩(wěn)定圍巖條件下護巷煤柱尺寸。2) 運用礦山壓力規(guī)律及留設各種煤柱的方法及經(jīng)驗公式對煤柱的合理尺寸進行分析。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煤柱的合理寬度范圍。4) 根據(jù)巖體的極限平衡理論推導出護巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)時的寬度計算公式。5)從理論上推導出三維應力狀態(tài)下估算煤柱塑性區(qū)寬度的理論公式。本文運用FLAC3D數(shù)值模擬l軟件，對鄂爾多斯地區(qū)某煤礦2101工作面不同寬度區(qū)段煤柱下巷道圍巖應力與運動進行分析研究。

1 工作面狀況

該煤礦地層產(chǎn)狀平緩，傾向220°～260°，地層傾角小于5°。2101工作面為該礦22煤采區(qū)第一個工作面，工作面四周及上下煤層均為實炭區(qū)，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含1～2層夾矸，煤層厚度4.6～10.6 m，夾矸厚0.3～1.9 m，煤層傾角為0～5°，頂板為細粒砂巖及砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖。

2 模型建立及參數(shù)選取

1) 模型幾何尺寸：模型走向長160 m，傾向345 m，高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°，煤層厚度7 m，采高6.2 m，回采傾向長度為240 m?；夭上锏澜孛嫘螤顬榫匦?，長5 m，高3.6 m，沿底板掘進。所建三維計算模型網(wǎng)格及垂直應力分布圖見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型及原巖垂直應力分布圖

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12 m、14 m、16 m、18 m條件下，隨著工作面推進，巷道圍巖的應力和變形破壞規(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20 m，周期來壓步距為10 m。為了記錄巷道圍巖的變形量，在巷道內(nèi)選取4個表面位移監(jiān)測點：兩幫中部各布置1個測點，監(jiān)測兩幫水平位移；頂?shù)装逯胁扛鞑贾?個測點，分別監(jiān)測頂板下沉位移和底鼓位移。

3) 模型邊界條件：巷道在實體煤中掘進，左側(cè)為工作面，右側(cè)為實體煤，整個模型在前、后，左、右及下部均為固定邊界，無水平位移。

3 不同寬度區(qū)段煤柱下巷道圍巖應力分布規(guī)律

不同寬度煤柱條件下垂直應力及巷道周邊垂直應力局部放大圖見圖2。

圖2 垂直應力及巷道周邊垂直應力局部放大圖

從圖2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12 m時的應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。

2) 當煤柱寬度為14 m時，煤柱中約占寬度46％的煤體受支承壓力為3.52 MPa，而大部分煤柱受力約為2.53 MPa。

3) 當煤柱寬度為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。

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

5) 由上述分析可以看出，隨著煤柱寬度的加大，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力集中，但是應力集中程度逐漸降低，煤柱中應力分布區(qū)域劃分逐漸模糊，大小主應力差逐漸減小，煤柱在整個寬度方向上受力趨于均衡。

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

b) 煤柱寬度為14 m時，巷道沿空側(cè)的應力集中處離幫1 m，應力集中系數(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)的應力集中處離幫距離<1 m，應力集中系數(shù)為1.492，劇烈影響范圍1.3 m，影響范圍略<3 m。

c) 煤柱寬度為16 m時，巷道沿空側(cè)的應力集中處離幫1 m，應力集中系數(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)的應力集中處離幫0.7 m，應力集中系數(shù)為1.503，劇烈影響范圍1.4 m，影響范圍3 m。

d) 煤柱寬度為18 m時，巷道沿空側(cè)的應力集中處離幫0.8 m，應力集中系數(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)的應力集中處離幫0.6 m，應力集中系數(shù)為1.48，劇烈影響范圍1.2 m，影響范圍2.8 m。

綜上所述，隨著煤柱寬度的增大，煤柱應力集中范圍越來越小，應力集中系數(shù)越來越小，逐漸呈現(xiàn)均勻承載現(xiàn)象。煤柱寬度12～14 m時，變化幅度最大。16～18 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)設置4個監(jiān)測點，來記錄頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟?，不同煤柱寬度下巷道圍巖位移量見表1。

表1 不同煤柱寬度下巷道圍巖位移量表

從表1可以看出，隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖位移量逐漸減小，當煤柱寬度為12 m時圍巖位移量最大，頂板位移量為58.9 mm，底板位移量為16.43 mm，左幫位移量為18.39 mm，右?guī)臀灰屏?6.06 mm；當煤柱寬度為18 m時圍巖位移量最小。通過巷道圍巖位移曲線圖可以看出，當煤柱寬度為12～14 m時，巷道圍巖變形幅度較明顯，當煤柱寬度為16～18 m時，巷道圍巖變形較小。

通過前面的分析可以得出，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，但煤柱過寬會造成資源的浪費。綜合以上分析結(jié)果，當區(qū)段煤柱的尺寸在14～16 m時，對巷道維護最為有利。

5 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力及變形規(guī)律進行分析，得到以下結(jié)論：

1) 隨著煤柱寬度的增大，煤柱應力集中范圍越來越小，應力集中系數(shù)越來越小，逐漸呈現(xiàn)均勻承載現(xiàn)象。煤柱寬度12～14 m時，變化幅度最大；16～18 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。當煤柱寬度為12～14 m時，巷道圍巖變形變化幅度較明顯，當煤柱寬度為16～18 m時，巷道圍巖變形幾乎保持不變。

3) 通過對不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應力及變形情況分析，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。

4) 考慮經(jīng)濟因素，結(jié)合數(shù)值模擬對比結(jié)果，最終確定合理的區(qū)段煤柱尺寸為14～16 m。

參 考 文 獻

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