深井大采高近距離煤層蹬空開采合理護巷煤柱尺寸留設研究

摘要：針對深井大采高近距離煤層蹬空開采條件下工作面開采時留設不同尺寸護巷煤柱時底板應力傳遞規律以及對底板大巷的影響問題，本文以丁集煤礦1282（3）工作面為工程背景，采用FLAC3D數值模擬的方法對此問題進行研究。模擬得出當留設240m護巷煤柱時，大巷左幫的垂直應力開始增加;當留設180m護巷煤柱時，采動側巷幫的塑性區由3.2m逐漸發展至5.3m，底板塑性區由3.6m發展至6.2m。現場實測得出當工作面距大巷179m左右時，頂底板及兩幫移近速率顯著增加，開始對大巷產生影響，與數值模擬結果基本相符。本研究對類似礦井工作面開采和巷道支護設計具有重要的理論意義和工程借鑒意義。

關鍵詞：蹬空開采;護巷煤柱;底板應力;塑性區

中圖分類號：TD322 文獻標識碼：A

1引言

煤礦進入深部開采以后，巷道處于高地應力、高地溫、高滲透壓以及強時間效應的復雜地質環境中支護困難變形嚴重[1-3]。同時，我國煤層賦存條件復雜，往往需要在采空區上方進行采掘活動，即蹬空開采。

近年來我國學者對煤礦開采時底板應力的傳遞特征及底板大巷變形特征做了大量的研究工作。孟祥瑞等[4]，建立了底板任意一點應力計算的彈性力學模型，結合莫爾-庫倫準則給出了底板巖體破壞的判據;王連國、張華磊[5-7]等推導出底板垂直應力的迭代計算式，得出底板各巖層垂直應力等值線呈橢圓形，淺部巖層等值線梯度較大，深部巖層等值線梯度較小的結論;張學臣[8]等指出在底板巷道受到采動影響時，巷道的頂底板位移要小于兩幫的位移;杭濤[9]提出采動引起底板巷道垂直應力變化幅度大，是導致巷道破壞變形的主要因素。但是，對深井大采高近距離煤層蹬空開采這一綜合因素影響下底板應力傳遞規律及底板巷道破壞特征研究不足。

本文以丁集煤礦1282（3）蹬空開采工作面為工程背景，采用數值模擬的方法對深井大采高近距離煤層蹬空開采這一綜合因素影響下底板應力傳遞規律及底板巷道破壞特征進行研究，設計出控制底板大巷變形的合理護巷煤柱尺寸，并通過現場實測分析，對模擬結果的可靠性及合理性進行驗證。

2工程概況

1282（3）工作面為蹬空開采，開采13-1煤，煤層底板標高-790～-825m，工作面面長185m，整體煤巖層傾角0～10°，平均3°，煤層平均厚度4.1m，工作面偽頂為泥巖，厚度0～1.2m，直接頂為1.1～7.5m的泥巖，老頂為8～17.7m的砂質泥巖;直接底為0.3～1.6m的泥巖，老底為3～7.3m的砂質泥巖。下部為已采1422（1）工作面，1422（1）工作面開采11-2煤，煤層平均煤厚2.5m，煤層傾角0～6°，平均2°，直接頂、直接底均為砂質泥巖或泥巖。1282（3）工作面收作位置距西一13-1軌道大巷水平距離平均198m，垂直距離66m左右，故驗選取西一13-1采區軌道大巷為研究對象。巷道布置及相互位置關系如圖1所示。

3數值模擬分析

3.1 數值模型的建立

以1282（3）工作面的采掘工程情況為背景，采用FLAC3D軟件建立數值計算模型。模型尺寸x×y×z=480m×300m×200m，采用摩爾-庫侖計算準則，模型煤巖物理力學參數如表1所示。在模型初始平衡后，先開挖1422（1）工作面，并按實際留設煤柱，再分步開挖13-1煤。

3.2 1282（3）工作面開采不同尺寸護巷煤柱對大巷影響

（1）護巷煤柱留設方案

護巷煤柱留設尺寸分別選擇300m、240m、180m、150m、120m、90m和60m。

（2）模擬結果分析

大巷開挖以后，水平應力在底板出現集中現象，1422（1）工作面開采以后，其有所減小;1282（3）工作面開采時，當留設的護巷煤柱尺寸大于300m時，底板的水平應力略有升高，隨著護巷煤柱尺寸的減小，底板的水平應力開始減小;在護巷煤柱尺寸為150m時，底板的水平應力又出現增加的趨勢，當護巷煤柱尺寸為90m時，工作面對應段的大巷底板水平應力開始減小，工作面附近側面煤柱對應段的大巷底板水平應力繼續增加。

大巷開挖以后，其頂底和兩幫的塑性區為2.5m左右，隨著1422（1）和1282（3）工作面開采，巷道的塑性區范圍逐漸增大;1282（3）工作面開采過程中，當留設的護巷煤柱尺寸大于180m時為宜，塑性區變化不大;當留設180m護巷煤柱時，巷道塑性區范圍開始增大，具體表現在采動側巷幫的塑性區由3.2m逐漸發展至5.3m，底板塑性區由3.6m發展至6.2m，巷道右幫和頂板的塑性區范圍保持在3.2～3.5m。

3.3合理方案確定

由模擬結果綜合分析得出當留設180m護巷煤柱時，大巷開始受到采動影響，巷道變形主要受其圍巖應力影響，再結合現場測得的巷道變形對圍巖應力變化和采動影響的敏感程度，確定1282（3）工作面開采時留設180m護巷煤柱。

由圖4～圖5可以看出當工作面推到距離大巷179m左右時開始對大巷產生影響，且由于4#和5#測點離工作面相對較近其變形速率要遠大于其他幾個測點。

5結論

（1）通過數值模擬研究丁集煤礦1422（1）工作面開挖對西一13-1采區軌道大巷應力狀態及塑性區發育的影響，得出開挖停采線距離大巷的水平距離為198m時，1422（1）工作面開采對西一13-1軌道大巷基本不產生影響。

（2）通過數值模擬研究在深井大采高近距離煤層蹬空開采這一綜合因素影響下1282（3）工作面開挖對巷道圍巖應力及變形的影響規律，得出當留設240m護巷煤柱時，大巷左幫的垂直應力開始增加;當留設的護巷煤柱尺寸大于180m時，塑性區變化不大;當留設180m護巷煤柱時，采動側巷幫的塑性區由3.2m逐漸發展至5.3m，底板塑性區由3.6m發展至6.2m，巷道右幫和頂板的塑性區范圍保持在3.2～3.5m。

（3）由模擬結果再結合現場測得的巷道變形對圍巖應力變化和采動影響的敏感程度，確定1282（3）工作面開采時留設180m護巷煤柱為宜。

（4）現場實測得出當工作面推到距離大巷179m左右時，各測點的頂底板及兩幫移近速率顯著增加，開始對大巷產生影響，與數值模擬結果基本相符。

參考文獻

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作者簡介：周敏，男，漢族，1985年9月生，安徽和縣人，安徽理工大學工程碩士，淮滬煤電丁集煤礦工程師。

（作者單位：淮滬煤電丁集煤礦）