1、PAGE 9大采高工作面護巷煤柱留設寬度(kund)分析(fnx)李權1，張俊龍1（1.晉能集團(jtun)長治有限公司 生產技術部， 山西 長治 046000）摘 要：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，結合現場巷道變形的實測及運用FLAC3D數值模擬分析軟件分析出不同護巷煤柱寬度下支承壓力分布規律，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。關鍵詞：護巷煤柱寬度；采動破壞；FLAC3D；支承壓力分布規律中圖分類號： 文獻標志碼：回采巷道一側的護巷煤柱用于隔離采空區和維護巷道，是上個回采工作面采空區和巷道邊緣支承壓力的主要承載體

2、，所以煤柱的變形破壞對巷道成型維護及頂板巖層控制有極大的影響。研究表明1：煤柱的尺寸大小直接影響到巷道受動壓破壞變形程度，煤柱尺寸的大小直接影響到回采巷道在回采期間的穩定性，合理的煤柱尺寸確定是工作面開采設計的重要部分。1 工程地質條件王莊煤業3502回風順槽沿3#煤煤層頂底板掘進，巷道斷面為矩形，巷道寬5m，高5m，直接頂為4.76m厚砂質泥巖，基本的為5.30m厚的細砂巖，直接底為2.63m厚的灰黑色泥巖，基本底為2.20m厚的細砂巖。煤層厚4.206.07m，平均厚5.08m，煤層埋深360m，傾角4-6，屬于近水平煤層。巷道與3501回采工作面采空區相鄰，中間相隔15m區段煤柱，350

3、2回風順槽掘出后受3501回采工作面采動影響，巷道兩幫起鼓嚴重，巷道斷面寬度由5.0m收縮到2.5m左右，局部巷道兩幫移近量達到3.0m。2 計算模型及參數選取本次計算采用FLAC3D模擬軟件對3501采空區周圍煤壁支承壓力以及3502回風順槽布置不同位置時巷道圍巖應力及變形破壞規律進行模擬分析。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150m50m40m（xyz）。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。模型邊界條件具體界定如下：以分析王莊礦區3501采空區及3502回風順槽所在的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

4、界，采空區左邊緣實體煤壁為60m，3501采空區占模型長度90m，采空區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【2】。計算模型(mxng)如圖1所示。圖1 王莊(wn zhun)3#煤層開采模擬模型(mxng)圖2.2 模型參數的選取為了客觀的、真實的反映3#煤層開采時的礦山壓力顯現規律和對煤壁的影響，模型中巖石的賦存情況、巖性、厚度以及力學參數都應該參考實際參數，把煤層上下方分別20m范圍內的巖層賦予相應的參數，模型中主要巖層的巖性、厚度以及力學參數見表1所列。表1 3#煤層頂底板賦存特征與力學參數巖性體積模量（GPa）切變模量（GPa）內摩擦角（）內聚力（MPa）抗拉

5、強度（MPa）密度(g.cm-3)層厚（m）細砂巖18.912.8488.65.92.435.3泥巖1.721.4540.71.83.362.684.763#煤1.520.79322.60.421.385.08砂質泥巖5.94.23883.22.662.36細砂巖21.46.931.228.61.142.562.2采空區0.460.19200.80.012.015.083 3501采空區周圍煤體中支承應力分布情況首先模擬計算3501工作面回采之后采空區周圍煤壁中支承應力分布情況，然后分別模擬3502回風順槽分別布置在距采空區15m、20m、5m三種不同間距下采空區邊緣煤壁中及巷道圍應力第二次重

6、新分布情況，比較在三種不同煤柱留設尺寸下巷道破壞變形情況。 圖2 3501采空區周圍(zhuwi)煤壁中豎直應力云圖從圖2中可以看出，3501采空區煤壁中最大豎直應力(yngl)集中在采空區邊緣右上角，距采空區邊緣約6m左右(zuyu)，且最大豎直應力為24.6MPa，煤層開采前原巖地應力為9MPa，最大支承壓力約是原巖應力的2.72倍，模擬得出的采空區支承壓力曲線如圖3所示。圖3 3501采空區邊緣煤壁中支承壓力曲線由圖3中可以看出：煤壁中支承壓力在距3501采空區邊緣7m處達到峰值24.6MPa，在25m以外支承壓力趨近于原巖應力，采空區邊緣0-7m支承壓力迅速增大，在距采空區邊緣15m處

7、支承壓力為16MPa，約為原巖應力的1.78倍；距煤壁20m處支承壓力為10MPa，接近原巖應力。從上圖支承采空區邊緣支承壓力曲線可以看出：若巷道布置在距采空區邊緣7m至20m之間處巷道所受到3501工作面采空區周圍支承壓力較大，巷道最難維護；巷道布置在20m以外，受到的采動影響很小。4三種不同煤柱尺寸下巷道圍巖應力分布狀況及對比分析模擬分析3502回風順槽分別布置在距3501采空區邊緣15m、20m和5m三種情況下巷道圍巖應力重新分布特征及巷道圍巖破壞情況。三種情況下巷道斷面都按照工程實際情況開挖，巷道斷面尺寸相同，在煤柱中間從巷道右幫到采空區邊緣每隔1m布置一個監測點監測煤柱中支承應力分布

8、情況。4.1 巷道距采空區邊緣15m時支承壓力分布情況模擬(mn)分析3502回風(hu fn)順槽距3501采空區15m開挖(ki w)后采空區和巷道周圍支承壓力二次分布情況，得出的豎直應力云圖和支承壓力曲線圖如圖6和圖7所示。圖6 15m煤柱時巷道圍巖支承壓力分布云圖圖7 15m煤柱中支承壓力曲線圖由圖6和圖7中可以看出，分別靠近巷道側和采空區邊緣4m處各出現兩個支承壓力峰值點，峰值分別為20MPa和26MPa，距巷道側出現的峰值壓力較小。根據礦山壓力理論：這兩個峰值點分別為煤柱與巷道和采空區邊緣的彈性區和塑性區破壞區的分界點，兩個峰值點以外的煤壁區域均受到不同程度的塑性破壞。留15m煤柱

9、時，煤柱集中承受了采空區邊緣支承壓力的作用，因此礦上壓力顯現比較劇烈，巷變形嚴重。4.2 巷道距采空區邊緣20m時支承壓力分布情況圖8和圖9留20m開挖時巷道圍巖支承應力分布情況及支承應力曲線。圖8 20m煤柱時巷道圍巖支承壓力分布云圖圖9 20m煤柱時煤柱中支承(zh chn)應力曲線圖從圖8和圖9中可以(ky)看出，留設20m煤柱時煤柱中的支承(zh chn)壓力峰值點明顯靠近3501工作面采空區側，3502回風順槽受到采空區邊緣支承壓力影響較小，由于巷道圍巖應力較小，有利于巷道的維護。4.3巷道距采空區邊緣5m時支承壓力分布情況如果為了提高煤炭回收率，考慮在3501采空區邊緣留小煤柱掘進

10、巷道變形情況，模擬分析3502回風順槽距3501采空區5m開挖時采空區和巷道周圍支承壓力二次分布情況，得出的支承應力云圖和支承壓力曲線圖如圖10和圖11。圖10 5m煤柱時巷道圍巖支承壓力分布云圖圖11 5m煤柱時煤柱中支承應力曲線圖由圖10和圖11可知，在3501采空區邊緣留設5m煤柱開挖巷道后，采空區邊緣支承壓力向煤壁深處轉移，支承壓力峰值點集中在巷道左側距巷幫2.2m處的煤體中，最大支承壓力峰值為20.1MPa。煤柱中最大支承壓力峰值點位于煤柱中央，最大值為20MPa，從煤柱中間到兩側支承壓力呈線性減小，整體上煤柱所承受的支承壓力比留設15m煤柱時小。4.4 三種不同煤柱尺寸下支承(zh

11、 chn)應力及巷道塑性破壞情況對比分析通過(tnggu)對三種不同煤柱尺寸下巷道(hng do)圍巖受力狀況模擬分析，得出了3組煤柱中支承壓力曲線，以及巷道圍巖出現的塑性變形情況圖。圖12 三種不同煤柱尺寸支承壓力曲線由圖10中可以看出：留15m煤柱時煤柱中支承壓力比20m煤柱時高5MPa左右，支承壓力對巷道圍巖穩定性影響較大，5m煤柱時煤柱中間最大支承壓力峰值集中于一點，且最大支承壓力峰值小于15m和20m煤柱時，5m煤柱時巷道圍巖承載的支承壓力較小，有利于巷道圍巖的穩定。3種不同煤柱時巷道圍巖塑性破壞狀況見圖13、圖14和圖15。圖13 15m煤柱時巷道圍巖塑性破壞區圖圖14 20m煤柱

12、時巷道圍巖塑性(sxng)破壞區圖圖15 5m煤柱時巷道圍巖(wi yn)塑性破壞區圖由上圖中可以(ky)看出：留設15m煤柱時巷道兩幫塑性破壞區深度達到3m，巷道右幫破壞區面積明顯大于左幫。由圖14中可以看出：留設20m煤柱時巷道兩幫塑性區深度為2m，巷道變形程度較小。留設5m煤柱時，巷道左側煤壁塑性區深度達到3m，煤柱中煤體全部出現塑性破壞。巷道煤柱越小巷道圍巖塑性區范圍越大，5m煤柱時巷道圍巖受到的支承壓力較小，雖然前期出現塑性破壞，但巷道圍巖所受到的支承壓力較小，后期巷道變形也會較小。15m煤柱時，巷道圍巖應力較大，在較大的支承壓力下，巷道會出現持續的變形，不利于巷道的維護。20m煤時

13、，巷道受采空區到支承壓力的影響很小，巷道圍巖塑性區也較小，最有利于巷道的維護。5結論通過FLAC3D軟件以王莊礦區地質條件為背景，模擬分析了3501采空區周圍煤壁中支承壓力分布情況，并且分別模擬分析了3502回風順槽布置在距3501采空區15m、20m和5m三種不同煤柱尺寸下煤壁支承壓力二次分布情況以及三種情況下巷道圍巖應力分布及塑性破壞規律，通過定性定量的分析研判，現就王莊煤業對煤柱的設計及巷道的支護提出的結論及建議如下：1、3501采空區邊緣(binyun)煤體中支承壓力影響范圍為0-25m，且支承(zh chn)壓力峰值點出現在距采空區邊緣7m處，在距采空區邊緣(binyun)25m以外

14、逐漸趨于原巖應力。2、3501采空區支承壓力影響范圍之內豎直應力明顯低于水平應力，水平應力峰值范圍較大，距采空區5-15m范圍內距是水平應力較高區，當巷道布置在此范圍之內是對巷道幫部變形影響較大。3、若巷道布置在支承壓力峰值區域影響范圍內時，對巷道兩幫及頂板應增加支護強度，增加圍巖內聚力，提高承受外載的能力，控制巷道圍巖變形程度，從而保證巷道圍巖的穩定。當巷道與3501采空區之間留設煤柱較小時，巷道兩幫塑性破壞區較深，巷道幫部支護應使用高預應力錨桿錨索，增大預緊力，增加錨桿錨固段長度，從而限制巷道兩幫的變形程度。4、3501工作采場支承壓力超前影響范圍達到27m，3502回風順槽在3501工作面推進過程中距工作面前后約40m范圍內對巷道影響最劇烈。5、設計小煤柱掘進巷道時，把煤柱寬度限制在支承壓力峰值點以內，最好留設35m煤柱，此時，巷道及煤柱承受的支承壓力較小，有利于巷道的維護。參考文獻：【1】宋振騏.實用礦山壓力控制【M】. 徐州：中國礦業大學出版社，1988.【2】劉波，韓彥輝.FLAC3