大采高工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度分析

李權(quán)+張俊龍+宋宇鵬

摘要：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，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道變形的實(shí)測(cè)及運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件分析出不同護(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。

關(guān)鍵詞：護(hù)巷煤柱寬度 ?采動(dòng)破壞 ?FLAC3D ?支承壓力分布規(guī)律

回采巷道一側(cè)的護(hù)巷煤柱用于隔離采空區(qū)和維護(hù)巷道，是上個(gè)回采工作面采空區(qū)和巷道邊緣支承壓力的主要承載體，所以煤柱的變形破壞對(duì)巷道成型維護(hù)及頂板巖層控制有極大的影響。研究表明[1]：煤柱的尺寸大小直接影響到巷道受動(dòng)壓破壞變形程度，煤柱尺寸的大小直接影響到回采巷道在回采期間的穩(wěn)定性，合理的煤柱尺寸確定是工作面開采設(shè)計(jì)的重要部分。

1 工程地質(zhì)條件

王莊煤業(yè)3502回風(fēng)順槽沿3#煤煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道斷面為矩形，巷道寬5m，高5m，直接頂為4.76m厚砂質(zhì)泥巖，基本的為5.30m厚的細(xì)砂巖，直接底為2.63m厚的灰黑色泥巖，基本底為2.20m厚的細(xì)砂巖。煤層厚4.20～6.07m，平均厚5.08m，煤層埋深360m，傾角4°-6°，屬于近水平煤層。巷道與3501回采工作面采空區(qū)相鄰，中間相隔15m護(hù)巷煤柱，3502回風(fēng)順槽掘出后受3501回采工作面采動(dòng)影響，巷道兩幫起鼓嚴(yán)重，巷道斷面寬度由5.0m收縮到2.5m左右，局部巷道兩幫移近量達(dá)到3.0m。

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)3501采空區(qū)周圍煤壁支承壓力以及3502回風(fēng)順槽布置不同位置時(shí)巷道圍巖應(yīng)力及變形破壞機(jī)理進(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。模型邊界條件具體界定如下：以分析王莊礦區(qū)3501采空區(qū)及3502回風(fēng)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)[2]。計(jì)算模型如圖1所示。

■

圖1 ?王莊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)

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3 3501采空區(qū)周圍煤體中支承應(yīng)力分布情況

首先模擬計(jì)算3501工作面回采之后采空區(qū)周圍煤壁中支承應(yīng)力分布情況。

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圖2 ?3501采空區(qū)邊緣豎直應(yīng)力云圖

從圖2中可以看出，3501采空區(qū)煤壁中最大豎直應(yīng)力距采空區(qū)邊緣約6m，且最大豎直應(yīng)力為24.6MPa，為原巖應(yīng)力的2.72倍，15m處支承應(yīng)力為16MPa，20m處支承壓力為10MPa，接近原巖應(yīng)力。巷道布置在7m至20m之間時(shí)巷道所受到3501工作面采空區(qū)周圍支承壓力較大，巷道最難維護(hù);巷道布置在20m以外，受到的采動(dòng)影響很小。支承壓力曲線如圖3所示。

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圖3 ?3501采空區(qū)邊緣煤壁中支承壓力曲線

4 3種不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)煤柱應(yīng)力分布狀況

模擬分析3502回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱為15m、20m和5m三種情況下巷道圍巖應(yīng)力分布狀況。

4.1 護(hù)巷煤柱15m時(shí)支承應(yīng)力分布 模擬得出的15m護(hù)巷煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖及支承壓力曲線如圖4和圖5所示。

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圖4 ?15m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖

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圖5 ?15m煤柱中支承壓力曲線圖

由上圖得出，靠近巷道和采空區(qū)4m處各出現(xiàn)兩個(gè)支承壓力峰值點(diǎn)，支承應(yīng)力曲線呈馬鞍型，峰值分別為20MPa和26MPa，距巷道側(cè)出現(xiàn)的峰值壓力較小。根據(jù)礦山壓力理論：這兩個(gè)峰值點(diǎn)分別為煤柱與巷道和采空區(qū)邊緣的彈性區(qū)和塑性區(qū)破壞區(qū)的分界點(diǎn)，兩個(gè)峰值點(diǎn)以外的煤壁區(qū)域均受到不同程度的塑性破壞。留15m煤柱時(shí)，煤柱集中承受了采空區(qū)邊緣支承壓力的作用，因此礦上壓力顯現(xiàn)比較劇烈，巷變形嚴(yán)重。

4.2 護(hù)巷煤柱20m時(shí)支承應(yīng)力分布 模擬得出的20m護(hù)巷煤柱時(shí)應(yīng)力云圖及煤柱中應(yīng)力曲線如圖6和圖7所示。

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圖6 ?20m煤柱豎直應(yīng)力云圖

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圖7 ?20m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力圖

根據(jù)上圖：20m煤柱時(shí)煤柱中的支承壓力峰值點(diǎn)趨近采空區(qū)，巷道附近支承壓力較小，有利于巷道的維護(hù)。

4.3 護(hù)巷煤柱5m時(shí)支承應(yīng)力分布

如果為了提高煤炭回收率，考慮在3501采空區(qū)邊緣留小煤柱掘進(jìn)巷道時(shí)情況，模擬得出的支承應(yīng)力云圖和支承壓力曲線圖如圖8和圖9。

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圖8 ?5m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖

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圖9 ?5m煤柱時(shí)煤柱中支承應(yīng)力曲線圖

由上圖可知，護(hù)巷煤柱5m時(shí)，采空區(qū)邊緣支承壓力向煤壁深處轉(zhuǎn)移，支承壓力峰值點(diǎn)集中在巷道左側(cè)距巷幫2.2m處，最大支承壓力峰值為20.1MPa。煤柱中最大支承壓力峰值點(diǎn)位于煤柱中央，最大值為20MPa，從煤柱整體上煤柱所承受的支承壓力比留設(shè)15m煤柱時(shí)小。

4.4 三種不同煤柱尺寸下支承應(yīng)力及巷道塑性破壞情況對(duì)比分析 通過(guò)對(duì)三種不同煤柱尺寸下巷道圍巖受力狀況模擬分析，得出了3組煤柱中支承壓力曲線，以及巷道圍巖出現(xiàn)的塑性變形情況圖。

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圖10 ?三種不同煤柱尺寸支承壓力曲線

由圖10可知：護(hù)巷煤柱較大時(shí)，煤柱主要承載了采空區(qū)邊緣支承壓力，小煤柱護(hù)巷時(shí)，巷道左側(cè)煤壁主要承載了巷道及采空區(qū)邊緣支承壓力。模擬得出的3種不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)巷道圍巖塑性破壞情況如圖11、圖12和圖13所示。

由上圖可知：15m煤柱時(shí)巷道兩幫塑性破壞區(qū)深度達(dá)到3m，巷道右?guī)推茐膮^(qū)面積明顯大于左幫，煤柱中壓力較大，變形嚴(yán)重，不利于巷道維護(hù)。留設(shè)20m煤柱時(shí)巷道兩幫塑性區(qū)深度為2m，巷道變形程度較小，有利于巷道維護(hù)。5m煤柱時(shí)，整個(gè)煤柱出現(xiàn)塑性破壞，破壞后的煤體承載力下降，應(yīng)力向巷道左幫轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D有限元軟件模擬得出護(hù)巷煤柱分別為15m、20m和5m時(shí)煤柱中應(yīng)力分布及塑性破壞規(guī)律的分析，現(xiàn)就王莊煤業(yè)大采高工作面回采巷道煤柱設(shè)計(jì)結(jié)論及建議如下：

①回采巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)20m時(shí)比較安全，巷道受到采空區(qū)周圍支承壓力影響較小，巷道變形破壞較小，有利于巷道維護(hù)。②護(hù)巷煤柱15m時(shí)煤柱承載的支承應(yīng)力較大，巷道變形破壞較嚴(yán)重，不利于巷道的維護(hù)。③留設(shè)5m左右護(hù)巷道煤柱時(shí)，煤柱整體出現(xiàn)塑性破壞，但煤柱中支承應(yīng)力較小，巷道變形較小，可考慮煤柱出現(xiàn)塑性破壞后采用注漿的方法加固煤柱——維護(hù)巷道，有利于煤炭資源回收，增加效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[2]劉波，韓彥輝.FLAC3D原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]宋成標(biāo).極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱寬度的探討[J].中國(guó)煤炭，2011（05）.

作者簡(jiǎn)介：李權(quán)（1987-），男，河南泌陽(yáng)人，技術(shù)員，研究生，從事頂板管理及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)等工作。endprint

摘要：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，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道變形的實(shí)測(cè)及運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件分析出不同護(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。

關(guān)鍵詞：護(hù)巷煤柱寬度 ?采動(dòng)破壞 ?FLAC3D ?支承壓力分布規(guī)律

回采巷道一側(cè)的護(hù)巷煤柱用于隔離采空區(qū)和維護(hù)巷道，是上個(gè)回采工作面采空區(qū)和巷道邊緣支承壓力的主要承載體，所以煤柱的變形破壞對(duì)巷道成型維護(hù)及頂板巖層控制有極大的影響。研究表明[1]：煤柱的尺寸大小直接影響到巷道受動(dòng)壓破壞變形程度，煤柱尺寸的大小直接影響到回采巷道在回采期間的穩(wěn)定性，合理的煤柱尺寸確定是工作面開采設(shè)計(jì)的重要部分。

1 工程地質(zhì)條件

王莊煤業(yè)3502回風(fēng)順槽沿3#煤煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道斷面為矩形，巷道寬5m，高5m，直接頂為4.76m厚砂質(zhì)泥巖，基本的為5.30m厚的細(xì)砂巖，直接底為2.63m厚的灰黑色泥巖，基本底為2.20m厚的細(xì)砂巖。煤層厚4.20～6.07m，平均厚5.08m，煤層埋深360m，傾角4°-6°，屬于近水平煤層。巷道與3501回采工作面采空區(qū)相鄰，中間相隔15m護(hù)巷煤柱，3502回風(fēng)順槽掘出后受3501回采工作面采動(dòng)影響，巷道兩幫起鼓嚴(yán)重，巷道斷面寬度由5.0m收縮到2.5m左右，局部巷道兩幫移近量達(dá)到3.0m。

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)3501采空區(qū)周圍煤壁支承壓力以及3502回風(fēng)順槽布置不同位置時(shí)巷道圍巖應(yīng)力及變形破壞機(jī)理進(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。模型邊界條件具體界定如下：以分析王莊礦區(qū)3501采空區(qū)及3502回風(fēng)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)[2]。計(jì)算模型如圖1所示。

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圖1 ?王莊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)

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3 3501采空區(qū)周圍煤體中支承應(yīng)力分布情況

首先模擬計(jì)算3501工作面回采之后采空區(qū)周圍煤壁中支承應(yīng)力分布情況。

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圖2 ?3501采空區(qū)邊緣豎直應(yīng)力云圖

從圖2中可以看出，3501采空區(qū)煤壁中最大豎直應(yīng)力距采空區(qū)邊緣約6m，且最大豎直應(yīng)力為24.6MPa，為原巖應(yīng)力的2.72倍，15m處支承應(yīng)力為16MPa，20m處支承壓力為10MPa，接近原巖應(yīng)力。巷道布置在7m至20m之間時(shí)巷道所受到3501工作面采空區(qū)周圍支承壓力較大，巷道最難維護(hù);巷道布置在20m以外，受到的采動(dòng)影響很小。支承壓力曲線如圖3所示。

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圖3 ?3501采空區(qū)邊緣煤壁中支承壓力曲線

4 3種不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)煤柱應(yīng)力分布狀況

模擬分析3502回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱為15m、20m和5m三種情況下巷道圍巖應(yīng)力分布狀況。

4.1 護(hù)巷煤柱15m時(shí)支承應(yīng)力分布 模擬得出的15m護(hù)巷煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖及支承壓力曲線如圖4和圖5所示。

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圖4 ?15m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖

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圖5 ?15m煤柱中支承壓力曲線圖

由上圖得出，靠近巷道和采空區(qū)4m處各出現(xiàn)兩個(gè)支承壓力峰值點(diǎn)，支承應(yīng)力曲線呈馬鞍型，峰值分別為20MPa和26MPa，距巷道側(cè)出現(xiàn)的峰值壓力較小。根據(jù)礦山壓力理論：這兩個(gè)峰值點(diǎn)分別為煤柱與巷道和采空區(qū)邊緣的彈性區(qū)和塑性區(qū)破壞區(qū)的分界點(diǎn)，兩個(gè)峰值點(diǎn)以外的煤壁區(qū)域均受到不同程度的塑性破壞。留15m煤柱時(shí)，煤柱集中承受了采空區(qū)邊緣支承壓力的作用，因此礦上壓力顯現(xiàn)比較劇烈，巷變形嚴(yán)重。

4.2 護(hù)巷煤柱20m時(shí)支承應(yīng)力分布 模擬得出的20m護(hù)巷煤柱時(shí)應(yīng)力云圖及煤柱中應(yīng)力曲線如圖6和圖7所示。

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圖6 ?20m煤柱豎直應(yīng)力云圖

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圖7 ?20m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力圖

根據(jù)上圖：20m煤柱時(shí)煤柱中的支承壓力峰值點(diǎn)趨近采空區(qū)，巷道附近支承壓力較小，有利于巷道的維護(hù)。

4.3 護(hù)巷煤柱5m時(shí)支承應(yīng)力分布

如果為了提高煤炭回收率，考慮在3501采空區(qū)邊緣留小煤柱掘進(jìn)巷道時(shí)情況，模擬得出的支承應(yīng)力云圖和支承壓力曲線圖如圖8和圖9。

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圖8 ?5m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖

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圖9 ?5m煤柱時(shí)煤柱中支承應(yīng)力曲線圖

由上圖可知，護(hù)巷煤柱5m時(shí)，采空區(qū)邊緣支承壓力向煤壁深處轉(zhuǎn)移，支承壓力峰值點(diǎn)集中在巷道左側(cè)距巷幫2.2m處，最大支承壓力峰值為20.1MPa。煤柱中最大支承壓力峰值點(diǎn)位于煤柱中央，最大值為20MPa，從煤柱整體上煤柱所承受的支承壓力比留設(shè)15m煤柱時(shí)小。

4.4 三種不同煤柱尺寸下支承應(yīng)力及巷道塑性破壞情況對(duì)比分析 通過(guò)對(duì)三種不同煤柱尺寸下巷道圍巖受力狀況模擬分析，得出了3組煤柱中支承壓力曲線，以及巷道圍巖出現(xiàn)的塑性變形情況圖。

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圖10 ?三種不同煤柱尺寸支承壓力曲線

由圖10可知：護(hù)巷煤柱較大時(shí)，煤柱主要承載了采空區(qū)邊緣支承壓力，小煤柱護(hù)巷時(shí)，巷道左側(cè)煤壁主要承載了巷道及采空區(qū)邊緣支承壓力。模擬得出的3種不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)巷道圍巖塑性破壞情況如圖11、圖12和圖13所示。

由上圖可知：15m煤柱時(shí)巷道兩幫塑性破壞區(qū)深度達(dá)到3m，巷道右?guī)推茐膮^(qū)面積明顯大于左幫，煤柱中壓力較大，變形嚴(yán)重，不利于巷道維護(hù)。留設(shè)20m煤柱時(shí)巷道兩幫塑性區(qū)深度為2m，巷道變形程度較小，有利于巷道維護(hù)。5m煤柱時(shí)，整個(gè)煤柱出現(xiàn)塑性破壞，破壞后的煤體承載力下降，應(yīng)力向巷道左幫轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D有限元軟件模擬得出護(hù)巷煤柱分別為15m、20m和5m時(shí)煤柱中應(yīng)力分布及塑性破壞規(guī)律的分析，現(xiàn)就王莊煤業(yè)大采高工作面回采巷道煤柱設(shè)計(jì)結(jié)論及建議如下：

①回采巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)20m時(shí)比較安全，巷道受到采空區(qū)周圍支承壓力影響較小，巷道變形破壞較小，有利于巷道維護(hù)。②護(hù)巷煤柱15m時(shí)煤柱承載的支承應(yīng)力較大，巷道變形破壞較嚴(yán)重，不利于巷道的維護(hù)。③留設(shè)5m左右護(hù)巷道煤柱時(shí)，煤柱整體出現(xiàn)塑性破壞，但煤柱中支承應(yīng)力較小，巷道變形較小，可考慮煤柱出現(xiàn)塑性破壞后采用注漿的方法加固煤柱——維護(hù)巷道，有利于煤炭資源回收，增加效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[2]劉波，韓彥輝.FLAC3D原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]宋成標(biāo).極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱寬度的探討[J].中國(guó)煤炭，2011（05）.

作者簡(jiǎn)介：李權(quán)（1987-），男，河南泌陽(yáng)人，技術(shù)員，研究生，從事頂板管理及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)等工作。endprint

摘要：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，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道變形的實(shí)測(cè)及運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件分析出不同護(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。

關(guān)鍵詞：護(hù)巷煤柱寬度 ?采動(dòng)破壞 ?FLAC3D ?支承壓力分布規(guī)律

回采巷道一側(cè)的護(hù)巷煤柱用于隔離采空區(qū)和維護(hù)巷道，是上個(gè)回采工作面采空區(qū)和巷道邊緣支承壓力的主要承載體，所以煤柱的變形破壞對(duì)巷道成型維護(hù)及頂板巖層控制有極大的影響。研究表明[1]：煤柱的尺寸大小直接影響到巷道受動(dòng)壓破壞變形程度，煤柱尺寸的大小直接影響到回采巷道在回采期間的穩(wěn)定性，合理的煤柱尺寸確定是工作面開采設(shè)計(jì)的重要部分。

1 工程地質(zhì)條件

王莊煤業(yè)3502回風(fēng)順槽沿3#煤煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道斷面為矩形，巷道寬5m，高5m，直接頂為4.76m厚砂質(zhì)泥巖，基本的為5.30m厚的細(xì)砂巖，直接底為2.63m厚的灰黑色泥巖，基本底為2.20m厚的細(xì)砂巖。煤層厚4.20～6.07m，平均厚5.08m，煤層埋深360m，傾角4°-6°，屬于近水平煤層。巷道與3501回采工作面采空區(qū)相鄰，中間相隔15m護(hù)巷煤柱，3502回風(fēng)順槽掘出后受3501回采工作面采動(dòng)影響，巷道兩幫起鼓嚴(yán)重，巷道斷面寬度由5.0m收縮到2.5m左右，局部巷道兩幫移近量達(dá)到3.0m。

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)3501采空區(qū)周圍煤壁支承壓力以及3502回風(fēng)順槽布置不同位置時(shí)巷道圍巖應(yīng)力及變形破壞機(jī)理進(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。模型邊界條件具體界定如下：以分析王莊礦區(qū)3501采空區(qū)及3502回風(fēng)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)[2]。計(jì)算模型如圖1所示。

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圖1 ?王莊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)

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3 3501采空區(qū)周圍煤體中支承應(yīng)力分布情況

首先模擬計(jì)算3501工作面回采之后采空區(qū)周圍煤壁中支承應(yīng)力分布情況。

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圖2 ?3501采空區(qū)邊緣豎直應(yīng)力云圖

從圖2中可以看出，3501采空區(qū)煤壁中最大豎直應(yīng)力距采空區(qū)邊緣約6m，且最大豎直應(yīng)力為24.6MPa，為原巖應(yīng)力的2.72倍，15m處支承應(yīng)力為16MPa，20m處支承壓力為10MPa，接近原巖應(yīng)力。巷道布置在7m至20m之間時(shí)巷道所受到3501工作面采空區(qū)周圍支承壓力較大，巷道最難維護(hù);巷道布置在20m以外，受到的采動(dòng)影響很小。支承壓力曲線如圖3所示。

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圖3 ?3501采空區(qū)邊緣煤壁中支承壓力曲線

4 3種不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)煤柱應(yīng)力分布狀況

模擬分析3502回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱為15m、20m和5m三種情況下巷道圍巖應(yīng)力分布狀況。

4.1 護(hù)巷煤柱15m時(shí)支承應(yīng)力分布 模擬得出的15m護(hù)巷煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖及支承壓力曲線如圖4和圖5所示。

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圖4 ?15m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖

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圖5 ?15m煤柱中支承壓力曲線圖

由上圖得出，靠近巷道和采空區(qū)4m處各出現(xiàn)兩個(gè)支承壓力峰值點(diǎn)，支承應(yīng)力曲線呈馬鞍型，峰值分別為20MPa和26MPa，距巷道側(cè)出現(xiàn)的峰值壓力較小。根據(jù)礦山壓力理論：這兩個(gè)峰值點(diǎn)分別為煤柱與巷道和采空區(qū)邊緣的彈性區(qū)和塑性區(qū)破壞區(qū)的分界點(diǎn)，兩個(gè)峰值點(diǎn)以外的煤壁區(qū)域均受到不同程度的塑性破壞。留15m煤柱時(shí)，煤柱集中承受了采空區(qū)邊緣支承壓力的作用，因此礦上壓力顯現(xiàn)比較劇烈，巷變形嚴(yán)重。

4.2 護(hù)巷煤柱20m時(shí)支承應(yīng)力分布 模擬得出的20m護(hù)巷煤柱時(shí)應(yīng)力云圖及煤柱中應(yīng)力曲線如圖6和圖7所示。

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圖6 ?20m煤柱豎直應(yīng)力云圖

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圖7 ?20m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力圖

根據(jù)上圖：20m煤柱時(shí)煤柱中的支承壓力峰值點(diǎn)趨近采空區(qū)，巷道附近支承壓力較小，有利于巷道的維護(hù)。

4.3 護(hù)巷煤柱5m時(shí)支承應(yīng)力分布

如果為了提高煤炭回收率，考慮在3501采空區(qū)邊緣留小煤柱掘進(jìn)巷道時(shí)情況，模擬得出的支承應(yīng)力云圖和支承壓力曲線圖如圖8和圖9。

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圖8 ?5m煤柱時(shí)豎直應(yīng)力云圖

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圖9 ?5m煤柱時(shí)煤柱中支承應(yīng)力曲線圖

由上圖可知，護(hù)巷煤柱5m時(shí)，采空區(qū)邊緣支承壓力向煤壁深處轉(zhuǎn)移，支承壓力峰值點(diǎn)集中在巷道左側(cè)距巷幫2.2m處，最大支承壓力峰值為20.1MPa。煤柱中最大支承壓力峰值點(diǎn)位于煤柱中央，最大值為20MPa，從煤柱整體上煤柱所承受的支承壓力比留設(shè)15m煤柱時(shí)小。

4.4 三種不同煤柱尺寸下支承應(yīng)力及巷道塑性破壞情況對(duì)比分析 通過(guò)對(duì)三種不同煤柱尺寸下巷道圍巖受力狀況模擬分析，得出了3組煤柱中支承壓力曲線，以及巷道圍巖出現(xiàn)的塑性變形情況圖。

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圖10 ?三種不同煤柱尺寸支承壓力曲線

由圖10可知：護(hù)巷煤柱較大時(shí)，煤柱主要承載了采空區(qū)邊緣支承壓力，小煤柱護(hù)巷時(shí)，巷道左側(cè)煤壁主要承載了巷道及采空區(qū)邊緣支承壓力。模擬得出的3種不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)巷道圍巖塑性破壞情況如圖11、圖12和圖13所示。

由上圖可知：15m煤柱時(shí)巷道兩幫塑性破壞區(qū)深度達(dá)到3m，巷道右?guī)推茐膮^(qū)面積明顯大于左幫，煤柱中壓力較大，變形嚴(yán)重，不利于巷道維護(hù)。留設(shè)20m煤柱時(shí)巷道兩幫塑性區(qū)深度為2m，巷道變形程度較小，有利于巷道維護(hù)。5m煤柱時(shí)，整個(gè)煤柱出現(xiàn)塑性破壞，破壞后的煤體承載力下降，應(yīng)力向巷道左幫轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D有限元軟件模擬得出護(hù)巷煤柱分別為15m、20m和5m時(shí)煤柱中應(yīng)力分布及塑性破壞規(guī)律的分析，現(xiàn)就王莊煤業(yè)大采高工作面回采巷道煤柱設(shè)計(jì)結(jié)論及建議如下：

①回采巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)20m時(shí)比較安全，巷道受到采空區(qū)周圍支承壓力影響較小，巷道變形破壞較小，有利于巷道維護(hù)。②護(hù)巷煤柱15m時(shí)煤柱承載的支承應(yīng)力較大，巷道變形破壞較嚴(yán)重，不利于巷道的維護(hù)。③留設(shè)5m左右護(hù)巷道煤柱時(shí)，煤柱整體出現(xiàn)塑性破壞，但煤柱中支承應(yīng)力較小，巷道變形較小，可考慮煤柱出現(xiàn)塑性破壞后采用注漿的方法加固煤柱——維護(hù)巷道，有利于煤炭資源回收，增加效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉波，韓彥輝.FLAC3D原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]宋成標(biāo).極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱寬度的探討[J].中國(guó)煤炭，2011（05）.

作者簡(jiǎn)介：李權(quán)（1987-），男，河南泌陽(yáng)人，技術(shù)員，研究生，從事頂板管理及巷道支護(hù)設(shè)計(jì)等工作。endprint