護巷煤柱寬度合理性模擬分析及工程應用

耿增達

（山西煤炭運銷集團長治有限公司,山西 長治 047100）

護巷煤柱寬度合理性模擬分析及工程應用

耿增達

（山西煤炭運銷集團長治有限公司,山西 長治 047100）

護巷煤柱留設寬度的大小直接關系到巷道受鄰近工作面采動破壞程度，本文首先對山西煤炭運銷集團長治有限公司吉安煤業(yè)工作面地質(zhì)及煤層賦存情況進行了闡述，然后運用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件并結合現(xiàn)場巷道變形的實測數(shù)據(jù)分析出不同護巷煤柱寬度下支承壓力分布規(guī)律，得出合理的護巷寬度，以達到最大限度降低巷道維護費用和最大限度地回收煤炭資源的目的。

護巷煤柱寬度；采動破壞；FLAC3D；支承壓力分布規(guī)律

1 工程概況

3號煤層頂、底板的工程地質(zhì)特征：吉安煤業(yè)3102工作面現(xiàn)開采煤層為3號煤，位于山西組下部，上距K8砂巖28.37-39.60m，平均33.47m。下距K7砂巖3.83-20.03m，平均13.05m，下距8-2號煤層50.98-58.52m，平均54.39m，3號煤層厚5.80-7.27m，平均厚6.64m，煤層結構簡單，局部含一層夾矸，層位、厚度均穩(wěn)定。

3號煤層偽頂為灰黑色泥巖，易垮落，厚0.90m；直接頂板多為灰色及深灰色砂質(zhì)泥巖，層理發(fā)育，易垮落，一般6.94m左右；老頂為灰色、深灰色的砂巖，厚度4.76m。3號煤層底板為砂質(zhì)泥巖，厚度1.1m。

另據(jù)礦井調(diào)查，井田內(nèi)原有煤礦開采3號煤層，均采用壁式采煤法，一次采全高，全部跨落法管理法，工作面梯形木棚支護，頂板較易管理。相鄰礦井開采3號煤層，均為走向長壁傾斜分層全部冒落式開采或開天窗放頂煤一次采全高新工藝開采，頂板易于管理。

2 計算模型及參數(shù)選取

本次計算采用FLAC3D模擬軟件對3102采空區(qū)周圍煤壁支承壓力以及3101運輸順槽選擇不同位置是巷道圍巖應力及變形破壞規(guī)律進行模擬分析。

2.1 建立計算模型

設計模型幾何尺寸為3#煤設計模型幾何尺寸為150m×50m×40m（x×y×z）。其中煤層走向方向為模型x方向，傾向方向為y方向，鉛垂方向為z方向。模型劃分網(wǎng)格時，使重點分析區(qū)域的網(wǎng)格盡可能小，并且形狀規(guī)則，全部為8節(jié)點六面體單元，不出現(xiàn)畸形單元。模型邊界條件具體界定如下：以分析吉安煤業(yè)3102采空區(qū)及3101運輸順槽所在的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)左邊緣實體煤壁為60m，3501采空區(qū)占模型長度90m，采空區(qū)90m以外對左側煤壁的影響可以忽略不計，因此不用建在模型之內(nèi)。計算模型如圖1所示。

圖1 吉安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、真實的反映3#煤層開采時的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律和對煤壁的影響，模型中巖石的賦存情況、巖性、厚度以及力學參數(shù)都應該參考實際參數(shù)，把煤層上下方分別20m范圍內(nèi)的巖層賦予相應的參數(shù)，模型中主要巖層的巖性、厚度以及力學參數(shù)見表1所列。

表1 3#煤層頂?shù)装遒x存特征與力學參數(shù)

3 不同護巷煤柱寬度尺寸支承應力分布情況

圖2 3101運輸順槽巷道圍巖及煤柱中豎直應力云圖

分別模擬計算3101運輸順槽與3102采空區(qū)之間的護巷煤柱尺寸分別為5m、10m、15m、20m時，巷道圍巖及煤柱中的應力第二次重新分布情況，得出的不同護巷煤柱寬度豎直應力云圖如圖2所示。

由圖2中可以看出，護巷煤柱為5m、10m時巷道受到3102工作面采空區(qū)邊緣支承壓力影響較大, 最大支承壓力9.8MPa，巷道附近煤層埋深170m，原巖應力約為4.2MPa，煤柱中承受的最大豎直應力約為原巖應力的2.3倍，煤柱整體承受了較大的支承應力。留15m護巷煤柱時，巷道仍然受到3102工作面采空區(qū)邊緣支承壓力的影響，但離支承壓力峰值點較原，對巷道的影響較小。留20m護巷煤柱時，巷道幾乎未受到采空區(qū)支承壓力的影響。煤柱中支承壓力曲線如圖3所示。

由圖3中4組不同煤柱寬度支承壓力曲線圖可以看出：煤柱寬度越大，巷道圍巖應力越小，3102采空區(qū)對3101運輸順槽的影響程度越小。

圖3 不同護巷煤柱寬度時煤柱中支承壓力曲線

圖4 不同護巷煤柱時巷道圍巖塑性變形破壞特征

4 不同護巷煤柱尺寸下巷道圍巖破壞及變形特征

模擬分析3101運輸順槽的護巷煤柱分別為5m、10m、15m及20m四種不同護巷煤柱尺寸下巷道圍巖的變形破壞特征，得出的巷道及煤柱塑性破壞區(qū)圖如4所示，藍色部分表示煤沿體的彈性區(qū)，這部分煤巖體未受到塑性破壞，其余顏色均表示煤巖體受到不同程度的塑性破壞。

由圖4 a可以看出：3101運輸順槽留設5m煤柱時，煤柱整體出現(xiàn)塑性破壞，這種情況下煤柱被壓塌；護巷煤柱為10m、15m、20m時巷道煤柱一側均出現(xiàn)1m左右的塑性區(qū)，20m煤柱時巷道右?guī)蜕喜砍霈F(xiàn)1m左右的塑性破壞區(qū)。另外根據(jù)巷道兩幫最大位移量的監(jiān)測：20m煤柱時右?guī)臀灰屏?.9cm，左幫1.9cm，巷道兩幫鼓起量很??；15m煤柱時，巷道右?guī)?8cm，左幫14cm，整體最大位移量約；0.32m；10m煤柱時，巷道右?guī)妥畲笪灰屏?1cm，左幫24cm，最大位移量為0.65m；5m煤柱時，右?guī)?2m，左幫29m，最大位移量0.71m。

5 結論及建議

通過FLAC3D軟件以吉安煤業(yè)地質(zhì)條件為背景，模擬分析了3101運輸順槽分別布置在距3102工作面采空區(qū)5m、10m、15m、20m煤柱時巷道圍巖應力變化情況及巷道兩幫變形破壞區(qū)情況，并參考了相鄰礦井潞安王莊煤業(yè)煤柱留設的相關經(jīng)驗和放頂煤工作面頂板垮落情況的一些數(shù)據(jù)，對吉安3101運輸順槽護巷煤柱寬度選擇得出了以下結論，并提出了一些合理性建議：

（1）留20m護巷煤柱時，巷道兩幫移近量接近于0m，3102工作面對3101運輸順槽采動影響很小，留設20m煤柱時巷道最易維護。

（2）留15m護巷煤柱時，巷道受到3102采空區(qū)邊緣支承壓力影響較小，巷道兩幫最大移近量約為0.32m，考慮到3101運輸順槽作為3101工作面運巷使用，巷道內(nèi)將來會布置電器列車以及皮帶運輸機，巷道變形對回采工作面正常生產(chǎn)影響較大，如留15m煤柱時，建議將巷道設計斷面寬度增大0.3-0.5m，避免兩幫出現(xiàn)變形后帶來的修巷麻煩。

（3）留10m護巷煤柱時，煤柱承受的支承壓力整體較大，巷道兩幫移近量也較大，若留10m煤柱布置作為風巷順槽使用時，能滿足巷道的通風、運輸材料的要求，可考慮留設10m護巷煤柱，作為運輸順槽使用，不建議留設10m煤柱。

（4）留5m護巷煤柱時，整個煤柱被壓塑，這種情況下如果兩個工作面能夠?qū)崿F(xiàn)跳采，并且巷道掘出后對煤柱兩幫用水泥砂漿錨噴后，再對煤柱進行注漿加固，留下的巷道可作為下個工作面的回風順槽使用，就吉安煤業(yè)實際情況，不推薦留設5m小煤柱。

綜上所述：吉安煤業(yè)3#煤煤層埋深較淺，頂板易垮落，巷道圍巖應力較小，可考慮留小煤柱掘巷。從最大限度回收煤炭資源角度考慮，3101運輸順槽可在3102工作面附近留設15m的護巷煤柱，建議將巷道斷面設計尺寸寬度增加0.3-0.5m，以滿足巷道兩幫出現(xiàn)輕微的變形后還能滿足巷道布置皮帶及機電列車的需要。若3101運輸順槽若能改為回風順槽使用，可考慮將護巷煤柱留設為10m左右，便能滿足巷道通風運輸?shù)男枰?/p>

耿增達（1964—），男，山西長治人，從事煤礦安全技術研究及管理工作。