保护煤柱宽度对顺槽稳定性影响的研究

王 杰

(潞安矿业集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046203)

·试验研究·

保护煤柱宽度对顺槽稳定性影响的研究

王 杰

(潞安矿业集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046203)

顺槽是矿井安全、高效生产的必经通道，可用于运输、通风，因此，顺槽的正确维护就显得尤为重要。顺槽不同于其他永久巷道，顺槽两帮通常由煤柱和工作面煤体组成，然而煤体的抗压强度远小于岩体抗压强度，这就导致顺槽两帮很容易发生压裂破坏，出现片帮现象，维护困难。顺槽在煤柱一侧的破坏更加严重，本文利用力学理论分析的方法对顺槽的稳定进行研究，并辅以数值计算对不同煤柱宽度对顺槽稳定的影响进行研究，得出了煤柱宽度越大，对顺槽的稳定性越有利，这也就是顺槽在煤柱一侧的破坏程度要比工作面煤体侧更加严重的原因。

顺槽煤柱;煤柱宽度;顺槽稳定性;数值计算

留设煤柱是煤矿安全生产中最常用的护巷方法，也就是说在两顺槽之间留有一定宽度的煤柱，在服务期间内保证顺槽围岩不会发生大的变形，从而保护工作面顺槽的稳定性［1，2］。煤柱宽度对顺槽稳定性影响非常大，因此，对顺槽煤柱宽度的确定显得尤为重要［3－5］，本文通过宽度不同的顺槽煤柱对工作面顺槽围岩受力特征进行分析，进而分析顺槽煤柱对工作面顺槽稳定性的影响。

1 顺槽围岩稳定性分析

工作面回采后，煤柱采空区侧老顶岩层垮落，基本顶岩层断裂后形成砌体梁结构，块体结构受力分析见图1。

图1 工作面回采后块体结构受力图

为了便于计算，对块体结构受力图进行简化处理，并利用多跨梁的理论分析其平衡关系，见图2。

图2 上区段工作面开采后结构分析简化图

老顶破断结构简化成梁结构见图3，分别为悬臂梁和斜简支梁两个结构。

图3 多跨梁分解为悬臂梁和简支梁图

取悬臂梁，计算其反力。

q'单独作用下悬臂梁产生的挠曲线方程可用下式计算:

P单独作用下悬臂梁产生的挠曲线可用下式计算:

F单独作用下悬臂梁产生的挠曲线可用下式计算:

Q单独作用下悬臂梁产生的挠曲线可用下式计算:

悬臂梁的总挠度为各个载荷单独产生的挠度的叠加，即:

利用以上的计算公式并结合几何关系x1＜x2＜x3，可以计算出煤柱支撑力作用点B的挠度(x=x2)

1)若煤柱处于弹性阶段，则得:

如果根据上式计算，得到F＞FS。

2)若煤柱处于塑性阶段，则得

此时，煤柱发生变形破坏，顺槽稳定性差，要对顺槽采取有效的补强手段。

2 数值模拟分析

通过数值模拟的手段来说明不同宽度顺槽煤柱对顺槽稳定性的影响，本文选择10 m和20 m进行比较。

模型尺寸取为60 m×60 m，巷道尺寸为4 m×3.5 m。单元类型为4节点42型单元，施加载荷为20 MPa。

模型中岩层分布特征见表1，各材料力学参数见表2。

表1 岩层分布特征

表2 材料的主要力学参数

以下对宽度为10 m、20 m模型的应力状态进行模拟，剪应力分布云图、竖向应力分布云图、水平应力分布云图见图4～图9。

由图4，图5分析可知，最大的剪应力值在顺槽顶角和底角处，且沿着顺槽中心线呈对称分布。当顺槽煤柱宽度为10 m时，剪应力值达到14.7 MPa;当顺槽煤柱宽度为20 m时，剪应力值达到14.3 MPa。从图4，图5对比可以看出，随着煤柱宽度的增大，最大剪应力值减小，但是减小的幅度比较小。

由图6，图7分析可知，最大的垂直应力在顺槽两帮中部表面，且表现为拉应力。当顺槽煤柱宽度为10 m时，顺槽两帮的最大拉应力值为5.8 MPa;当顺槽煤柱宽度为20 m时，顺槽两帮的最大拉应力值为5.6 MPa。从图6，图7可以看出，随着煤柱宽度的增大，顺槽两帮的拉应力值在减小。

由图8，图9分析可知，最大的垂直应力在顺槽顶底板中部表面，且表现为拉应力。当顺槽煤柱宽度为10 m时，顺槽两帮的最大拉应力值为11.2 MPa;当顺槽煤柱宽度为20 m时，顺槽两帮的最大拉应力值为11.3 MPa。从图8，图9可以看出，随着煤柱宽度的增大，顺槽两帮的拉应力值基本没有变化。

根据以上分析可以看出，增大煤柱宽度可以对顺槽两帮进行有效的维护。

3 结论

通过以上分析可知，不同顺槽煤柱宽度条件下，工作面顺槽围岩的受力呈现不同的分布特征:

1)竖向应力、水平应力及剪应力的分布情况非常相似，且最大应力均出现在顺槽顶底板及拐角处。结果表明，当煤柱宽度增大时，顺槽围岩应力呈现降低的趋势，因此，宽煤柱对顺槽的稳定起到非常重要的作用。

2)通过顺槽所受竖向应力分布情况分析可知，结果表明，当煤柱宽度大到一定极限时，煤柱宽度的继续增大对维护顺槽稳定的意义很小，因此，煤柱合理尺寸的确定就显得尤为重要。

［1］ 董方庭.巷道围岩松动圈支护理论［J］.煤炭学报，1994，19(1):31 －32.

［2］ 范秋雁.论软岩支护中的让压技术－兼谈新奥法的让压理论［J］.采矿与安全工程学报，1993(2):5－8.

［3］ 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007:93－95.

［4］ 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994:129－131.

［5］ 侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1999:51－52

Study on Influence on Gateway Stability of Protection Coal Pillar Width

Wang Jie

The gateway is the necessary channel of safe and efficient production in the mine，it can be used to transport and ventilation，so the correct maintenance of the gateway is particularly important.The gateway is different from other permanent roadway，the two sides of gateway usually consist of the coal pillar and working face coal body，however the compressive strength of coal body is far less than the compressive strength of rock mass，this leads to the two sides of gateway easily happen fracturing damage，appear wall caving phenomenon，the maintenance is difficult.The destruction of gateway in the pillar side is more serious.This paper by using the mechanical theory analysis method studies the stability of the gateway，and with the numerical calculation studies the influence on the gateway stability of the different coal pillar width，it is concluded that the coal pillar width is greater，the stability of the gateway is more favorable，this also is the reason which the gateway destruction extent in the pillar side is more serious than the coal body side of the face.

Coal pillar of gateway;Width of coal pillar;Stability of gateway;Numerical simulation

TD322

A

1672－0652(2012)10－0023－03

2012－07－29

王 杰(1986—)，男，山西长治人，2010年毕业太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿生产与管理工作(E －mail)coal_man@163.com