綜采沿空掘巷煤柱合理寬度數值模擬研究

張兵奇，龐澤明，伊紅星

綜采沿空掘巷煤柱合理寬度數值模擬研究

張兵奇，龐澤明，伊紅星

(河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454003)

合理的煤柱寬度能夠保證工作面巷道的穩定性，改善沿空掘巷維護狀況，降低由于礦山壓力造成的巷道變形，煤柱寬度的確定對于提高煤柱回收率、保障安全高效的生產起到積極作用。本文通過數值模擬研究分析，研究了綜采沿空掘巷煤柱的穩定性以及合理的煤柱寬度，為確定合理的煤柱寬度提供了理論依據。

沿空掘巷;巷道穩定;煤柱寬度;數值模擬

留設煤柱一直是煤礦傳統的護巷方法，在上區段運輸平巷和下區段回風平巷之間留設一定寬度的煤柱，使下區段平巷避開固定支承壓力峰值區［1］。在采煤工作面的布置規劃中，合理的煤柱寬度不僅能夠提高巷道的圍巖穩定性，減少由于礦山壓力作用造成的巷道變形，而且還可以減少煤炭損失量、減少巷道維護的周期［2］。因此，保證合理的煤柱寬度是綜采沿空掘巷成功的關鍵技術之一［3］。

1 研究巷道地質概況

太原東山王封煤業有限公司主要可采煤層為9#煤層，煤厚約3.3 m，煤層傾角8°～15°，埋深365 m，礦井布置綜采放頂煤工作面，機采全部跨落法管理頂板，一次采全高。9#煤層首采區工作面90101已基本采空，為了達到正常的接替計劃，目前正在準備90102工作面，該區段回風平巷擬采用沿著90101工作面采空區邊緣掘進，工作面區段回風平巷巷道斷面為矩形，巷道寬高為3.3 m×3 m，需要留設一定的保護煤柱，以避開高應力集中區。

2 確定合理煤柱的數值模擬研究

為了更加明確地分析采用不同寬度的煤柱時，巷道圍巖周圍的應力以及位移的變化，為治理由于礦山壓力作用造成的巷道變形，采用有限差分數值模擬軟件FLAC3D來模擬不同煤柱寬度時，巷道的變形情況。

根據太原東山王封煤業9#煤層的生產地質條件，模擬綜采工作面沿空掘巷合理煤柱的穩定性，模擬煤層厚度3.3 m，建立的模型X方向400 m，Y方向200 m，Z方向35 m。共有120 450個三維單元。模型建立過程中，固定模擬的底部和左右邊界，限制其移動，在模型上部邊界施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，見圖1。

圖1 數值模擬模型圖

3 數值模擬結果分析

3.1 掘巷期間煤柱的變形情況

3.1.1 掘巷期間煤柱的應力分布情況

數值模擬期間，分別模擬煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、15 m 時，煤柱寬度方向的應力變化情況。用FLAC軟件截取煤柱高度一半的層位研究沿煤柱寬度方向上應力分布的變化規律［4］。在煤柱寬度方向上用HISTORY跟蹤記錄30個記錄點，經過計算整理，得到如圖2所示的曲線。圖2為掘巷期間，沿煤柱寬度方向垂直應力分布圖。

圖2 掘巷期間沿煤柱寬度方向垂直應力分布圖

由圖2可知：

1)煤柱內垂直應力峰值受煤柱寬度的影響，垂直應力峰值越大，煤柱的穩定性就越差。

2)當煤柱寬度為3 m時，煤柱的垂直應力峰值為17.5 MPa;當煤柱寬度為4～5 m范圍內，可以看出，此時的垂直應力峰值比3 m的煤柱要小;當煤柱的寬度大于5 m時，垂直應力峰值明顯有增長的趨勢;當煤柱達到15 m時，垂直應力峰值最大，應力峰值達到24.8 MPa，此時對煤柱的穩定性最為不利。

3.1.2 掘巷期間煤柱的位移變化情況

掘巷期間煤柱內的水平位移分布曲線，見圖3。

圖3 掘巷期間沿煤柱內水平位移分布曲線圖

由圖3可知：

1)煤柱向巷道內的水平位移移近量有隨著煤柱寬度增大而增大的關系。當煤柱寬度達到一定量時，有趨于穩定的趨勢。

2)當煤柱寬度為3 m時，煤柱向巷道內的位移移動不明顯，整體向采空區方向移動;當煤柱寬度在4～5 m范圍內，煤柱開始向巷道側移動，整體最大移動量為100 mm;當煤柱寬度大于5 m時，煤柱向巷道內的位移量趨勢明顯增加;6～10 m范圍內，煤柱向巷道內位移量急劇增加，最大移動量達到368 mm;當煤柱寬度為15 m時，煤柱向巷道內的位移量不太明顯，逐步趨于穩定。

3.2 回采期間煤柱的變形情況

3.2.1 回采期間煤柱的應力分布情況

為了分析回采期間煤柱應力的變化情況，取煤柱高度的一半的層位作為研究對象，采用HISTORY跟蹤記錄沿煤柱寬度方向上30個點的應力變化情況，經過分析得出，回采期間沿煤柱寬度方向上垂直應力分布規律，見圖4。

圖4 回采期間沿煤柱內垂直應力分布曲線圖

由圖4可知：

1)回采期間，煤柱內的垂直應力隨著煤柱寬度的增大而增大。當煤柱為3 m時，煤柱內的垂直應力為21.5 MPa;當煤柱為5 m時，煤柱內的垂直應力為18.8 MPa;當煤柱寬度大于5 m時，煤柱內的垂直應力急劇增大，最大應力達到35.8 MPa。

2)煤柱寬度為3～4 m時，煤柱的垂直應力峰值開始增加;5 m時，煤柱的垂直應力增加比較平緩，煤柱的承載能力較高;煤柱寬度大于5 m時，垂直應力增加明顯，不利于煤柱的穩定，煤柱的承載能力較差。煤柱的垂直應力峰值越大，越不利于煤柱的穩定。

3.2.2 回采期間煤柱的位移變化情況

回采期間煤柱的位移變化情況見圖5。

圖5 回采期間煤柱內水平位移分布曲線圖

回采期間煤柱表面位移特征見圖6。

圖6 回采期間煤柱表面水平位移分布曲線圖

由圖5、圖6可知：

1)隨著煤柱寬度的增大，煤柱向巷道內的位移量逐漸增大。當煤柱寬度為3～4 m時，煤柱向巷道內的位移量開始增大;煤柱寬度為5 m時，位移量變化比較平緩;當煤柱寬度大于5 m時，位移量急劇增大。

2)掘巷期間煤柱寬度在3～4 m范圍內，煤柱整體向巷道內的移動不明顯，整體向采空區移動的趨勢較明顯，回采期間煤柱寬度在3～4 m范圍內，煤柱整體向巷道內的位移量與掘進期間相比較明顯。這就說明了當煤柱寬度在3～4 m范圍內，煤柱由原來的向采空區移動轉變成了向巷道內移動，說明煤柱的穩定性差。

3)煤柱向巷道內的位移移近量整體趨勢是煤柱寬度在3～4 m范圍內，移近量開始增加;4～5 m范圍內，移近量有所下降;煤柱寬度大于5 m時，移近量急劇增加。

4 結論

由數值模擬分析得出如下結論：

1)煤柱的寬度方向上的垂直應力越大，越不利于煤柱的穩定。

2)根據煤柱的垂直應力和位移分布變化規律，得到太原東山王封煤業綜采沿空掘巷合理的煤柱寬度為5 m，當煤柱寬度為5 m時，煤柱寬度方向上的垂直應力和水平位移變化情況較平緩，巷道整體圍巖變形量相對小。

3)利用數值模擬的方法確定合理的煤柱寬度為5 m，為巷道的維護和回采巷道的合理布置提供了科學依據，提高了煤炭資源的采出率，保障了巷道的穩定性［5，6］。為相似條件下的沿空掘巷合理的煤柱寬度的計算提供了技術指導和借鑒［7］。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003：92－95.

［2］ 柏建彪.沿空掘巷圍巖控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2006：63－64.

［3］ 謝廣詳，楊 科，劉全明.綜放面傾向煤柱支承壓力分布規律研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(3)：545.

［4］ 明俊智.綜放沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究［J］.煤炭技術，2010，29(12)：72－73.

［5］ 常聚才，謝廣詳，楊 科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定［J］.西安科技大學學報，2008，28(2)：226－230.

［6］ 陳 科，柏建彪，朱 琪.沿空掘巷小煤柱破壞規律及合理寬度的確定［J］.煤礦安全，2009(8)：101－102.

［7］ 柏建彪，侯朝烔，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究［J］.巖石力與工程學報，2004，23(10)：3475－3479.

Numerical Simulation of the Reasonable Width of Coal Pillars at Fully Mechanized Working Face with Driving Roadway along Goaf

Zhang Bing－qi，Pang Ze－ming，Yi Hong－xing

The reasonable width of coal pillars provides the posibility of ensuring the stability of the roadway in the working face，betters the maintenance situation in the driving roadway along goaf，lessen the roadway deformation because of the mine pressure.The confirmation of the width of the coal pillars could be benefic to the recovery rate of coal pillars，plays an active part in ensuring high－productive and high－efficiency.According to the analysis and research of numerical simulation，the numerical simulation suggests the stability of the driving roadway along goaf as well as the reasonable width of the coal pillars.Theoretical basis is provided to determine the reasonable width of coal pillars.

Driving roadway along goaf;The stability of the roadway;The width of coal pillars;Numerical simulation

TD263

A

1672－0652(2011)11－0041－03

2011－10－28

張兵奇(1985—)，男，河南平頂山人，2010級河南理工大學碩士研究生，主要從事礦山壓力及巖層控制方面的研究(E －mail)zhangbingqi666@163.com