综采沿空掘巷煤柱合理宽度数值模拟研究

张兵奇，庞泽明，伊红星

综采沿空掘巷煤柱合理宽度数值模拟研究

张兵奇，庞泽明，伊红星

(河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

合理的煤柱宽度能够保证工作面巷道的稳定性，改善沿空掘巷维护状况，降低由于矿山压力造成的巷道变形，煤柱宽度的确定对于提高煤柱回收率、保障安全高效的生产起到积极作用。本文通过数值模拟研究分析，研究了综采沿空掘巷煤柱的稳定性以及合理的煤柱宽度，为确定合理的煤柱宽度提供了理论依据。

沿空掘巷;巷道稳定;煤柱宽度;数值模拟

留设煤柱一直是煤矿传统的护巷方法，在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区［1］。在采煤工作面的布置规划中，合理的煤柱宽度不仅能够提高巷道的围岩稳定性，减少由于矿山压力作用造成的巷道变形，而且还可以减少煤炭损失量、减少巷道维护的周期［2］。因此，保证合理的煤柱宽度是综采沿空掘巷成功的关键技术之一［3］。

1 研究巷道地质概况

太原东山王封煤业有限公司主要可采煤层为9#煤层，煤厚约3.3 m，煤层倾角8°～15°，埋深365 m，矿井布置综采放顶煤工作面，机采全部跨落法管理顶板，一次采全高。9#煤层首采区工作面90101已基本采空，为了达到正常的接替计划，目前正在准备90102工作面，该区段回风平巷拟采用沿着90101工作面采空区边缘掘进，工作面区段回风平巷巷道断面为矩形，巷道宽高为3.3 m×3 m，需要留设一定的保护煤柱，以避开高应力集中区。

2 确定合理煤柱的数值模拟研究

为了更加明确地分析采用不同宽度的煤柱时，巷道围岩周围的应力以及位移的变化，为治理由于矿山压力作用造成的巷道变形，采用有限差分数值模拟软件FLAC3D来模拟不同煤柱宽度时，巷道的变形情况。

根据太原东山王封煤业9#煤层的生产地质条件，模拟综采工作面沿空掘巷合理煤柱的稳定性，模拟煤层厚度3.3 m，建立的模型X方向400 m，Y方向200 m，Z方向35 m。共有120 450个三维单元。模型建立过程中，固定模拟的底部和左右边界，限制其移动，在模型上部边界施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量，见图1。

图1 数值模拟模型图

3 数值模拟结果分析

3.1 掘巷期间煤柱的变形情况

3.1.1 掘巷期间煤柱的应力分布情况

数值模拟期间，分别模拟煤柱宽度为3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、15 m 时，煤柱宽度方向的应力变化情况。用FLAC软件截取煤柱高度一半的层位研究沿煤柱宽度方向上应力分布的变化规律［4］。在煤柱宽度方向上用HISTORY跟踪记录30个记录点，经过计算整理，得到如图2所示的曲线。图2为掘巷期间，沿煤柱宽度方向垂直应力分布图。

图2 掘巷期间沿煤柱宽度方向垂直应力分布图

由图2可知：

1)煤柱内垂直应力峰值受煤柱宽度的影响，垂直应力峰值越大，煤柱的稳定性就越差。

2)当煤柱宽度为3 m时，煤柱的垂直应力峰值为17.5 MPa;当煤柱宽度为4～5 m范围内，可以看出，此时的垂直应力峰值比3 m的煤柱要小;当煤柱的宽度大于5 m时，垂直应力峰值明显有增长的趋势;当煤柱达到15 m时，垂直应力峰值最大，应力峰值达到24.8 MPa，此时对煤柱的稳定性最为不利。

3.1.2 掘巷期间煤柱的位移变化情况

掘巷期间煤柱内的水平位移分布曲线，见图3。

图3 掘巷期间沿煤柱内水平位移分布曲线图

由图3可知：

1)煤柱向巷道内的水平位移移近量有随着煤柱宽度增大而增大的关系。当煤柱宽度达到一定量时，有趋于稳定的趋势。

2)当煤柱宽度为3 m时，煤柱向巷道内的位移移动不明显，整体向采空区方向移动;当煤柱宽度在4～5 m范围内，煤柱开始向巷道侧移动，整体最大移动量为100 mm;当煤柱宽度大于5 m时，煤柱向巷道内的位移量趋势明显增加;6～10 m范围内，煤柱向巷道内位移量急剧增加，最大移动量达到368 mm;当煤柱宽度为15 m时，煤柱向巷道内的位移量不太明显，逐步趋于稳定。

3.2 回采期间煤柱的变形情况

3.2.1 回采期间煤柱的应力分布情况

为了分析回采期间煤柱应力的变化情况，取煤柱高度的一半的层位作为研究对象，采用HISTORY跟踪记录沿煤柱宽度方向上30个点的应力变化情况，经过分析得出，回采期间沿煤柱宽度方向上垂直应力分布规律，见图4。

图4 回采期间沿煤柱内垂直应力分布曲线图

由图4可知：

1)回采期间，煤柱内的垂直应力随着煤柱宽度的增大而增大。当煤柱为3 m时，煤柱内的垂直应力为21.5 MPa;当煤柱为5 m时，煤柱内的垂直应力为18.8 MPa;当煤柱宽度大于5 m时，煤柱内的垂直应力急剧增大，最大应力达到35.8 MPa。

2)煤柱宽度为3～4 m时，煤柱的垂直应力峰值开始增加;5 m时，煤柱的垂直应力增加比较平缓，煤柱的承载能力较高;煤柱宽度大于5 m时，垂直应力增加明显，不利于煤柱的稳定，煤柱的承载能力较差。煤柱的垂直应力峰值越大，越不利于煤柱的稳定。

3.2.2 回采期间煤柱的位移变化情况

回采期间煤柱的位移变化情况见图5。

图5 回采期间煤柱内水平位移分布曲线图

回采期间煤柱表面位移特征见图6。

图6 回采期间煤柱表面水平位移分布曲线图

由图5、图6可知：

1)随着煤柱宽度的增大，煤柱向巷道内的位移量逐渐增大。当煤柱宽度为3～4 m时，煤柱向巷道内的位移量开始增大;煤柱宽度为5 m时，位移量变化比较平缓;当煤柱宽度大于5 m时，位移量急剧增大。

2)掘巷期间煤柱宽度在3～4 m范围内，煤柱整体向巷道内的移动不明显，整体向采空区移动的趋势较明显，回采期间煤柱宽度在3～4 m范围内，煤柱整体向巷道内的位移量与掘进期间相比较明显。这就说明了当煤柱宽度在3～4 m范围内，煤柱由原来的向采空区移动转变成了向巷道内移动，说明煤柱的稳定性差。

3)煤柱向巷道内的位移移近量整体趋势是煤柱宽度在3～4 m范围内，移近量开始增加;4～5 m范围内，移近量有所下降;煤柱宽度大于5 m时，移近量急剧增加。

4 结论

由数值模拟分析得出如下结论：

1)煤柱的宽度方向上的垂直应力越大，越不利于煤柱的稳定。

2)根据煤柱的垂直应力和位移分布变化规律，得到太原东山王封煤业综采沿空掘巷合理的煤柱宽度为5 m，当煤柱宽度为5 m时，煤柱宽度方向上的垂直应力和水平位移变化情况较平缓，巷道整体围岩变形量相对小。

3)利用数值模拟的方法确定合理的煤柱宽度为5 m，为巷道的维护和回采巷道的合理布置提供了科学依据，提高了煤炭资源的采出率，保障了巷道的稳定性［5，6］。为相似条件下的沿空掘巷合理的煤柱宽度的计算提供了技术指导和借鉴［7］。

［1］ 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003：92－95.

［2］ 柏建彪.沿空掘巷围岩控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2006：63－64.

［3］ 谢广详，杨 科，刘全明.综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(3)：545.

［4］ 明俊智.综放沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究［J］.煤炭技术，2010，29(12)：72－73.

［5］ 常聚才，谢广详，杨 科.综放沿空巷道小煤柱合理宽度确定［J］.西安科技大学学报，2008，28(2)：226－230.

［6］ 陈 科，柏建彪，朱 琪.沿空掘巷小煤柱破坏规律及合理宽度的确定［J］.煤矿安全，2009(8)：101－102.

［7］ 柏建彪，侯朝烔，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究［J］.岩石力与工程学报，2004，23(10)：3475－3479.

Numerical Simulation of the Reasonable Width of Coal Pillars at Fully Mechanized Working Face with Driving Roadway along Goaf

Zhang Bing－qi，Pang Ze－ming，Yi Hong－xing

The reasonable width of coal pillars provides the posibility of ensuring the stability of the roadway in the working face，betters the maintenance situation in the driving roadway along goaf，lessen the roadway deformation because of the mine pressure.The confirmation of the width of the coal pillars could be benefic to the recovery rate of coal pillars，plays an active part in ensuring high－productive and high－efficiency.According to the analysis and research of numerical simulation，the numerical simulation suggests the stability of the driving roadway along goaf as well as the reasonable width of the coal pillars.Theoretical basis is provided to determine the reasonable width of coal pillars.

Driving roadway along goaf;The stability of the roadway;The width of coal pillars;Numerical simulation

TD263

A

1672－0652(2011)11－0041－03

2011－10－28

张兵奇(1985—)，男，河南平顶山人，2010级河南理工大学硕士研究生，主要从事矿山压力及岩层控制方面的研究(E －mail)zhangbingqi666@163.com