基于數值模擬的切頂卸壓后保護煤柱寬度研究

中圖分類號：TD322 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）13-0049-05

DOI： 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.009

Study on the Width of the Protective Coal Pillar After Roof Cutting and PressureReliefBased on Numerical Simulation

ZHANGPu1 ZHANG Desheng'LOU Peijie12HE Haoda'HUANG Puhao1 （1.Anhui University of Science and Technology，Schoolof Civil Architecture，Huainan 232Ooo， China; 2.National Key Laboratory of Coal Fine Explorationand Intelligent Development，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract： [Purposes] In view of the impact of mining disturbance on the west gas drainage roadway of a mine，as wellas that of permanent abutment pressure in the coal pillar after the working face is stopped， the pre-splitting blasting technology for roof cuting and pressure relief is adopted.This notonly protects the roadway and improves recovery rate，but also reduces the width of the protective coal pillar. [Methods] In this paper， FLAC ^3D software is used to simulate the stress distribution of roadway surrounding rock underdifferent widths of protective coal pillars after roof cuting and pressure relief，so as to determine the reasonable width of the protective coal pillr.[Findings] The simulation results indicate that with the increase in the width of the protective coal pillar，the degree of vertical stress concentration of the surrounding rock of the roadway decreases.When the width of the protective coal pilla exceeds 50 m， the degree of decrease is no longer obvious. Finaly，a 5O-meter-wide protective coal pillar is selected. [Conclusions] The research results provide a reference for the design of roadways with similar conditions in this area.

Keywords： roof cutting pressure relief; numerical simulation; protective coal pillars; FLAC ³⁰

0 引言

為保證煤炭資源的開采效益，保護煤柱的合理寬度應在保證安全的前提下，做到應采盡采。隨著煤礦開采深度的增加，地層壓力也會增大，尤其是頂板應力會逐漸增大。當礦井達到一定深度后，原有的支護結構可能無法有效支撐頂板，導致頂板發生不均勻沉降或局部塌陷。此時，需要通過切頂卸壓技術來減輕頂板壓力，保證巷道圍巖的穩定。同時，切頂卸壓技術能切斷采空區頂板的應力傳遞路徑，以此來縮小保護煤柱的合理寬度，并保證大巷穩定。

圍繞切頂卸壓與保護煤柱的控制關系，諸多學者進行了討論與研究。趙常辛等通過調整切頂角度，顯著提高了巷道圍巖穩定性。張念超等基于統一強度理論，建立了支護應力與護巷煤柱尺寸計算模型，發現支護應力越大，護巷煤柱尺寸越小。魏峰遠等3指出保護煤柱尺寸的確定并非簡單的線性問題，而是復雜的非線性問題，與煤層傾角、埋深、煤層圍巖性質等相關。宋陽升4和熊巨等通過FLACD數值模擬確定了大巷煤柱切頂角度和切頂深度。高玉兵等研究了不同煤層厚度下，切頂成巷的設計參數。朱文慶等運用FLACD研究了工作面末采段切頂卸壓護巷技術。楊軍等8研究了切頂卸壓下無煤柱自成巷條件下基本頂斷裂對巷道變形的影響。

本研究以山西某煤礦為例，設計 60m 保護煤柱，采用FLAC3D數值模擬分析不同保護煤柱寬度下，巷道圍巖應力分布及頂底板位移情況。在保證巷道不失穩的前提下，確定保護煤柱的寬度，提高回采率。

1工程概況

某礦工作面位于3號煤層一盤區，工作面平均埋深為 660m ，開采煤層為3號煤層，煤層傾角不超過 8^° ，為近水平煤層。工作面平面示意如圖1所示。煤層結構簡單，相對穩定。煤層均厚 5.64m ，煤層頂板和底板巖層均為砂質泥巖和粉砂巖。工作面采用大采高一次采全高采煤工藝進行回采作業，利用全部垮落法管理頂板。

2爆破切頂卸壓技術

爆破技術在切頂卸壓工程中的應用最早也最為廣泛。爆破切頂卸壓完成后，可以在采空區和巷道之間的保護煤柱間形成一條裂縫，從而達到阻斷應力傳播路徑的目的，該礦的工作面爆破鉆孔布置如圖2所示。

在工作面回采后，如果中粒砂巖層能夠及時破斷，就會顯著縮短懸頂跨度，減小懸頂面積，從而降低工作面及鄰近巷道的動壓顯現程度。因此，通過切頂卸壓來使中粒砂巖層及時破斷，是保證巷道安全的關鍵。最終選定切頂角度為 70^° ，切頂深度為 30.6m 。

圖1工作面平面示意（單位： m

圖2工作面爆破鉆孔布置（單位：m）

3數值模擬模型

為研究切頂卸壓后保護煤柱的合理寬度，采用FLACD數值模擬軟件對切頂前后及不同保護煤柱寬度下的巷道圍巖應力、頂底板移近量進行分析。根據表1的數據建立FLACD數值計算的模型。模型 x 方向長度為 250m，y 方向長度為 10m ，模型高度 100m ，巷道高度為 4.35m ，巷道底部寬 4.7m 。切頂角度為 70^° ，切頂深度為 30.6m 。網格劃分最小邊長和最大邊長均為 0.5m 。限定前后左右及底面為位移邊界，并在頂部施加均布荷載模擬上覆巖層的壓力。數值模擬采用Mohr-Coulomb屈服準則。各巖層物理力學參數見表1，數值模擬模型如圖3所示。

根據該礦過往工程經驗，其保護煤柱的預留寬度為 30～60m 。為確定保護煤柱的合理寬度，本研究模擬30、40、50和 60m 寬度保護煤柱情況下的兩幫垂直應力及頂底板移近量，選出最經濟合理的保護煤柱寬度。在進行模擬計算時，應遵循以下步驟：巷道開挖一工作面開挖一停采線預留不同寬度的保護煤柱一切頂卸壓一觀察巷道的變形特征。

表1各巖層物理力學參數

圖3數值模擬計算模型

4數值模擬結果分析

切頂卸壓前后垂直應力云圖如圖4所示。由圖4可知，在未切頂的情況下，保護煤柱內的峰值垂直應力高達 66.68MPa ，在切頂后下降至30.15MPa ，減少了 54.84% 。同時，巷道兩幫、頂底板位置在切頂前均有明顯的應力集中區。

在距離巷道左側 12m 處設置監測點進行應力監測，得出切頂前后巷道兩幫垂直應力對比結果如圖5所示。由圖5可知，切頂前后左右兩幫的垂直應力分別從 36.88MPa 和28.63MPa下降至24.37MPa 和 22.25MPa ，分別減少了 33.98% 和8.70% 。由此可知，切頂卸壓起到了切斷應力傳播路徑的作用。

圖5切頂前后巷道兩幫垂直應力對比

本研究選取30、40、50和 60m 的保護煤柱寬度分別進行數值模擬，從而選取合理的保護煤柱寬度。不同寬度保護煤柱的應力云圖如圖6所示。由圖6可知，巷道的頂底板兩幫均出現了不同程度的應力集中，產生了應力增高區域，并且應力增加范圍隨著區段保護煤柱寬度的增加而減小。當留設 30m 寬的保護煤柱時，受左側采動影響較嚴重，應力集中顯著。

在該煤層中布置巷道監測線穿過巷道，可以得到該模型整體的垂直應力分布，如圖7所示。由圖7可知，左側靠近工作面處受到回采影響出現峰值，并平滑下降，與巷道左側的峰值應力形成了馬鞍形曲線，巷道右側在應力集中區后呈現緩慢下降趨勢。隨著保護煤柱寬度的增加，巷道兩幫的垂直應力值不斷下降，且按照30、40、50和 60m 的順序依次下降。巷道左側的垂直應力峰值依次為31.99、28.35、25.83和 24.37MPa ，減少率依次為 11.39% 、8.89% 和 5.65% ；巷道右側垂直應力峰值分別為30.11、26.55、24.70和 23.74MPa ，減少率依次為11.84% ） 6.97% 和 3.89% 。

圖4切頂卸壓前后垂直應力云圖

圖6不同寬度保護煤柱的應力云圖

圖7垂直應力分布

為了進一步對比不同保護煤柱下的巷道變形量，在模型的巷道位置，從上至下垂直布設位移監測線，得到了保護煤柱頂底板的位移分布曲線，如圖8所示。由圖8可知，在不同保護煤柱寬度下，整體上下部巖層位移量隨著保護煤柱寬度的增加而下降。結合圖9中的移近量，保護煤柱越寬，巷道頂底板的移近量越小。保護煤柱寬度為30、40、50和 60m 時，頂底板移近量分別為161、121、106和 97mm ，減少率分別為 24.84%，12.40% 和 8.49% 。

由圖9可知，在切頂卸壓后，選擇寬度為 30m 和 40m 保護煤柱時，巷道圍巖應力顯著集中，兩幫移近量大。但在保護煤柱寬度為 50～60m 時，垂直應力和移近量減少不再明顯。因此，綜合考慮巷道圍巖穩定與回采效益，并且在切頂卸壓后能保證該巷道的整體變形量可控的前提下，停采線的保護煤柱應設為 50m 。

5結論

① 模擬結果表明，切頂卸壓工藝切斷了應力傳播路徑，達到了減少保護煤柱寬度的目的。

② 切頂卸壓后，不同寬度的保護煤柱對巷道的圍巖變形量及垂直應力有顯著影響。隨著保護煤柱寬度的增加，頂底板移近量及垂直應力的應力增加區域減小。

③ 根據數值模擬的計算結果，在保證巷道穩定和安全生產的情況下，為提高回采率，選擇保護煤柱的寬度為 50m 。研究成果為今后該礦區類似巷道設計提供一定的參考。

圖8保護煤柱頂底板位移分布

圖9不同保護煤柱下頂底板移近量

參考文獻：

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