回采巷道護巷煤柱參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化研究

褚 鵬 于衍達 韓長海

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251105）

邱集煤礦自投產(chǎn)以來基本采用20m的工作面護巷煤柱。為避免煤炭資源浪費和其他礦井災害，邱集煤礦采用沿空送巷技術進行工作面開采，而沿空送巷技術的關鍵問題，即是保證護巷煤柱寬度[1]的設置合理。煤柱寬度對巷道的維護狀況起決定作用，若煤柱過小，由于靠采空側(cè)的煤柱受支承力的影響已呈塑性，容易失穩(wěn)，片幫嚴重；若煤柱過大，則回采巷道布置在應力增高區(qū)內(nèi)，將使巷道壓力大，支護困難[2]。

以邱集煤礦的某巷道為研究對象，通過FLAC3D數(shù)值模擬[3]，對煤柱的寬度參數(shù)進行研究。該巷道位于7600軌道上山東翼，北鄰7603工作面采空區(qū)，西至7601聯(lián)絡巷，南鄰7601機巷，東至七煤可采邊界線。該巷道的頂?shù)装鍘r性情況，如表1所示。

表1 煤層頂、底板巖性情況

1 數(shù)值模擬計算

FLAC3D不需要通過計算中的迭代來滿足本構關系，無須形成剛度矩陣，可以基于小的存儲空間研究大范圍的巖土模型問題，適用于復雜條件下的大變形問題[4]，因此采用FLAC3D進行數(shù)值計算模擬。

根據(jù)圣維南原理、頂?shù)装鍘r性情況以及工程圖紙尺寸，以巷道斷面為中心四周拓展范圍，使頂、底板厚度與實際相符，通過犀牛軟件構建數(shù)值計算模型：X方向跨度26m，Y方向跨度60m，Z方向跨度20m。采用1m邊長的四面體進行網(wǎng)格劃分，得到節(jié)點116762個，單元663671個，形成初始應力計算模型如圖1，臨近采空區(qū)的巷道開挖模型如圖2。

圖1 初始應力計算模型

圖2 臨近采空區(qū)的巷道開挖模型

通過改變臨近采空區(qū)的巷道開挖模型中煤柱的寬度，來進行模擬計算，以獲取最適宜的煤柱寬度。根據(jù)2018年1月份的現(xiàn)場實測煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力分布圖（圖3）可知，煤體應力高峰點在煤體內(nèi)深4m處左右，原巖應力分布范圍在6m之外。因此研究模型選取寬度為4m以及6m的煤柱，進行模擬計算。

圖3 煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力分布圖

根據(jù)鄰近礦山經(jīng)驗，巖體的力學參數(shù)[5]如表2。

表2 巖體力學參數(shù)

2 模擬結果分析

通過對比模型中央的豎直斷面的沉降情況、底板斷面的底鼓情況以及兩個模型的塑性區(qū)情況來比較兩個模型的優(yōu)劣。

6m煤柱模型的塑性區(qū)體積為343.8m3，4m煤柱模型的塑性區(qū)體積為346.8m3；6m煤柱模型的中央豎直斷面沉降最大值為1.175mm，底鼓最大值為4.493mm，4m煤柱模型的中央豎直斷面沉降最大值為1.176mm，底鼓最大值為4.552mm，如圖4（a）、（b）所示；6m煤柱模型的中央底鼓剖面沉降最大值為7.68mm，底鼓最大值為4.63mm，4m煤柱模型的中央底鼓剖面沉降最大值為7.84mm，底鼓最大值為4.68mm，如圖5（a）、（b）所示。

圖4 煤柱模型的中央豎直斷面

圖5 煤柱模型的底鼓斷面

綜上所述，6m煤柱寬度的模型計算結果優(yōu)于4m煤柱寬度，因此認為應采用6m煤柱寬度。

3 結論

（1）通過某巷道實際工程布置情況，構建三維計算模型，模擬比較了4m煤柱與6m煤柱寬度的優(yōu)劣，認為應采用6m煤柱寬度。

（2）模型根據(jù)頂、底板巖性情況構造，較接近工程實際，但其不能反映巖體工程中的各向異性，模擬方法僅僅是一種參考及驗證手段，與工程實踐難免有出入。該模擬方法手段，在實踐應用中可結合監(jiān)測數(shù)據(jù)使用，對類似工程實踐的開展，具有一定借鑒價值。