五阳煤矿孤岛综放工作面合理护巷煤柱宽度研究

王继林 陈 芳 屠洪盛

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.潞安环能公司五阳煤矿，山西省长治市，046205；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116）

五阳煤矿孤岛综放工作面合理护巷煤柱宽度研究

王继林1，2陈 芳3屠洪盛3

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.潞安环能公司五阳煤矿，山西省长治市，046205；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116）

为确定五阳煤矿“孤岛”综放工作面合理护巷煤柱宽度，控制回采巷道变形破坏，以7603工作面为工程背景，采用三维有限差分软件FLAC3D，对不同护巷煤柱宽度条件下的回采巷道围岩应力分布和塑性区发育特征进行了模拟分析，结果表明：该工作面合理的护巷煤柱宽度为22.5m。

孤岛综放工作面 保护煤柱 数值模拟

孤岛工作面回采，由于工作面周围均已采空，围岩压力大，巷道变形破坏十分严重，对工作面回采影响极大。软煤孤岛工作面掘进巷道时，由于巷道一侧已采空，使巷道侧煤体应力集中，加上煤体本身松软，巷道围岩破碎严重，给支护带来很大困难，因此软煤层孤岛工作面巷道掘进支护及顶板的管理相当困难。在软岩巷道掘出后围岩压力集中使围岩强度降低，并逐渐使巷道两帮围岩表层松动区破裂，导致破裂带向围岩深部发展，使松动区围岩先失去自承能力，直到冒落片帮，加大松动区的范围。为了解决这一问题，通过留设合理尺寸的保护煤柱，保证煤柱的支撑护巷能力，可以大大降低巷道支护及维护难度。因此，运用FLAC3D模拟不同煤柱宽度对孤岛工作面回采巷道应力分布、塑性区范围的影响，可以得出合理的护巷煤柱宽度。在留设孤岛工作面回采巷道保护煤柱时应该充分考虑最大支撑应力范围，从而确定保护煤柱尺寸，使回采巷道避开应力较高区，确保回采巷道稳定性。

1 地质概述

五阳煤矿7603孤岛工作面位于3＃煤层＋600m水平，埋深470m左右，工作面倾斜布置，走向开采，倾斜长度为275m，走向长度2166 m。据7603工作面实测的数据：该煤层总厚度为5.2～6.81m，平均煤厚6.11m，煤层倾角为7～14°，平均11°，煤层赋存稳定，煤层的普氏系数为0.8～1.0，属偏软煤层。煤层顶底板柱状图见图1。该工作面的应力集中程度相对较大，对掘进、支护和生产造成一定的困难。

图1 煤层顶底板综合柱状图

2 保护煤柱尺寸的数值模拟

2.1 模型的建立

运用FLAC3D模拟不同保护煤柱宽度对回采巷道围岩应力分布和巷道变形特征比较合适。由于FLAC3D不能模拟岩层跨落，当岩层达到极限平衡以后，就不能继续计算，所以本模型在建模时，工作面推进长度应大于周期来压步距，本文工作面推进长度设定为50m。在设定的推进长度内，7603工作面两侧的工作面已达到充分采动时，研究7603孤岛工作面不同尺寸保护煤柱的围岩力学特征。在倾向方向，7603工作面上方和下方分别为7601工作面和7605工作面（已采空），工作面倾斜长度为200m，根据煤岩层特性、两侧采动情况和岩层移动情况，在7601工作面上部和7603工作面下部各留50m煤柱。三维数值模拟采用长方体，模型范围为长760m、宽50m、高182m，本模型共有135000个单元块，152306个节点，如图2所示。

图2 FLAC3D数值模拟煤柱宽度计算模型

2.2 模型参数

模拟孤岛工作面的顶底板岩层特征及其实验室测定的力学性质见表1。在模型的计算中采用莫尔－库伦准则作为岩体的破坏准则。模型的侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部边界为应力条件，通过在上部边界施加应力来代替上覆岩层的重量。根据实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量，模型平均埋深470m，上覆岩层的平均密度近似为2500kg／m3，由式（1）计算得出加在模型上部边界的应力应为11.75MPa。

式中：σz——垂直应力，MPa；

γ——上覆岩层的平均密度，kN／m3；

H——单元体距离地表的深度，m。

随着深度的增加原岩应力逐渐增大，模型的前后、左右及下部边界采用铰接固定。

表1 模型各岩层的力学参数

3 模拟结果分析

（1）垂直应力。在采用不同宽度的护巷煤柱条件下，模拟护巷煤柱的变形破坏区域，结果见图3。

不同煤柱尺寸，在垂直应力作用下煤柱本身发生的支承压力状态表现不一样。从图3可以看出，对于10m、15m和17.5m宽的煤柱，巷道开挖所产生的应力重新分布表现为煤柱中部应力降低区与稳定区都很小或消失，使得煤柱产生不稳定因素，很容易发生破坏，丧失了支持作用。从20m开始煤柱中部应力降低区与稳定区加大，煤柱存在明显的稳定区（核区）。可以看出当煤柱宽度为20 m时开始，煤柱存在一定宽度的稳定区，具有一定程度的护巷能力。

（2）煤柱破坏情况。不同宽度煤柱情况下煤柱的破坏情况见图4所示。

不同煤柱尺寸，煤柱本身发生的破坏状态表现不一样。从图4中可以看出，对于10m、15m和17.5m宽的煤柱，巷道开挖所产生的塑性区与采空区侧的塑性区均进行了不同程度的叠加，使得煤柱完全破坏，丧失了支持作用。从22.5m开始，两个塑性区开始分开，到了25m宽的煤柱情况下，两个塑性区距离为2.5m左右。可以看出当煤柱宽度为20m时开始，煤柱的破坏程度较小，具有一定程度的支撑能力。因此，对孤岛工作面而言，保护煤柱宽度应大于或等于20m时才能保证保护煤柱不失稳，回采巷道变形较小。

为了保证矿井的安全生产，提高煤柱的安全系数，同时也为锚杆支护提供更好的条件，因此，选择合理的煤柱宽度为22.5m。

4 小结

（1）运用FLAC3D对煤柱的合理宽度进行了数值模拟研究，通过模拟结果得到了保护煤柱的最小宽度为20m，确定了五阳矿7603孤岛综放面保护煤柱尺寸为22.5m。

（2）数值模拟表明，7603工作面煤柱的宽度对回采巷道变形有很大影响，随着煤柱宽度的增加巷道变形量逐渐减小，煤柱支撑能力逐渐加强，合理煤柱宽度可减小回采巷道维护难度。

（3）通过数值模拟对比的方法得出提高塑性区煤体强度可以提高护巷煤柱的稳定性和承载能力，从而可以减小护巷煤柱的尺寸。

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Research on reasonable width of protective coal pillar in isolated fully－mechanized working face of Wuyang Coal Mine

Wang Jilin1，2，Chen Fang3，Tu Hongsheng3
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China；2.Wuyang Coal Mine，Shanxi Lu＇an Environment and Energy Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 046205，China；3.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

In order to confirm the reasonable width of protective coal pillar in isolated fullymechanized working face of Wuyang coal mine for the purpose of controlling the deformation and failure of mining roadway，the stress distribution of surrounding rock and the developing characteristics of plastic zone in No.7603working face were simulated by using FLAC3Dnumerical simulation software under the conditions of different coal pillar widths.The results showed that the reasonable width of the protective coal pillar should be 22.5mfor this working face.

isolated fully－mechanized working face，protective coal pillar，numerical simulation

TD353

B

王继林（1969－），男，河南夏邑人，现任五阳煤矿副矿长，高级工程师，2009年获得中国矿业大学采矿工程系硕士学位，主要从事采煤方法与岩层控制方面研究。

（责任编辑 张毅玲）