浅埋大采高工作面区段煤柱下合理留设宽度模拟研究

赵则龙，张 磊

(1.山东省徐庄生建煤矿十四监区，山东枣庄 277514;2.山东省徐庄生建煤矿安全办，山东枣庄 277514)

0 引言

关于煤柱合理留设宽度问题，前人做了大量的研究，总结出了很多行之有效的煤柱合理尺寸确定的方法。主要集中在［1～5］:1)对大量实测结果的数理统计、归纳推理得出不稳定围岩条件下护巷煤柱尺寸;2)运用矿山压力规律留设各种煤柱的方法及经验公式对煤柱合理的尺寸进行分析;3)用现场实测煤柱支承压力分布方法分析给出煤层回采巷道的合理煤柱宽度范围;4)根据岩体的极限平衡理论推导出护巷煤住保持稳定状态时的宽度计算公式;5)从理论上推导出三维应力状态下估算煤柱塑性区宽度的理论公式。

由于现场实测需要安设大量的设备，花费较高，费时较长;理论计算给出的煤柱宽度范围较大，不具备现场指导性。数值模拟具有反复模拟的功能，具有较强的灵活性和任意性，其不受时间、空间、条件的限制，这一优势使其成为一个解决实际问题的一个强大的工具。因此，本文拟从数值模拟的角度对东胜区某矿2203工作面不同宽度区段煤柱下巷道围岩应力与运动进行分析研究，通过对比分析，给出该工作面的合理区段煤柱留设宽度。

该煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，2203工作面为22煤采区第二个工作面，工作切眼长度为180 m，走向长度为1683 m，布置在矿井一水平22上煤层中，该工作面四周及上下煤层均未开采，均为石炭区，煤层平均厚度6 m，煤层倾角为0～5°。22上煤层结构较简单，含1～2层夹矸，由于沉积环境为湖相沉积，煤层厚度及夹石厚度变化较大，煤层厚度4.6～10.6 m，夹石厚度0.3～1.9 m，21下煤和22上煤同属2煤组，由于夹石厚度变化较大，21下煤、22上煤出现分合层情况。该矿在做初步设计时，预留煤柱宽度为20 m，实际开采过程中，巷道变形较小，矿压显现不明显，为了节约煤炭资源，减小预设煤柱宽度，矿方决定采用本文的研究方式来解决。

2 模型建立及参数选取

1)模型几何尺寸:模型走向长240 m，倾向1736 m，埋深148 m。模型中岩层包括开挖煤层与顶底板及上部覆盖的所有基岩层和松散层，其中煤层倾角0°，模拟采高6.2 m，工作面沿顶煤推进，沿倾向开采。回采巷道截面形状为矩形，宽4 m，高5 m，沿底板掘进。为了计算准确更加精确，在开挖巷道周围位置附近加密网格的划分。所建三维计算模型网格及垂直应力分布情况如图1所示。

图1 数值模型及垂直应力分布图

2)模拟方案及回采过程:本次数值模拟分别模拟煤柱宽度为10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m条件下，随着工作面推进，巷道围岩的应力和变形破坏规律。工作面采用分步开挖，根据现场实测数据，取老顶初次来压步距为22 m，周期来压步距为11 m。

3)模型边界条件:巷道完全在实体煤中掘进，左侧为工作面，右侧为实体煤，为消除边界效应，工作面走向两端各留40 m煤柱。整个模型在前、后，左、右及下部均为固定边界，没有水平位移，即Sx=0，Sy=0，模型上表面为地表，设为自由面，如图2所示。

图2 数值计算模型边界条件示意图

模拟计算采用参数如表1所示。

表1 岩石力学参数

3 不同宽度区段煤柱下巷道围岩应力分布规律

为了研究不同宽度煤柱条件下巷道的围岩应力分布规律，取回采巷道50 m处截面垂直应力分布情况进行比较，如图3所示。

从图3中可以看出，由于受上区段工作面采动的影响，沿空巷道两侧均形成应力集中带，并且顶板、底板呈现为“拱状”卸压带。

1)煤柱宽度为10 m时，巷道顶板和底板出现大范围卸压区，顶板泄压区范围达3.2 m，底板卸压区达2.4 m;煤柱中应力分布区域划分明显，其左右两侧煤体，即上区段采空区侧与巷道侧支承压力较小，约为0.42 MPa，而在中部支承压力较大约为4.35 MPa，只是高应力区域范围较小，占煤柱宽度的8%左右;

2)煤柱宽度为12 m时的应力分布情况与煤柱宽度10 m时接近，所不同的是煤柱中高应力区域范围逐渐变大，约占煤柱宽度的28%，而且煤柱两侧与中部的应力差也逐渐减小，其中，煤柱两侧支承压力约0.93 MPa，而煤柱中部支承压力约3.92 MPa;

3)当煤柱宽度为14 m时，煤柱中约占宽度46%的煤体受支承压力在3.52 MPa，而大部分煤柱受力约为2.53 MPa;

4)当煤柱宽度为16 m时，煤柱中有约占宽度68%的煤体受支承压力为3.21 MPa，而大部分煤柱受力约为2.64 MPa;

5)当煤柱宽度为18 m时，煤柱中有约占宽度20%的煤体受支承压力在3.15 MPa，而大部分煤柱受力约为3.58 MPa。

由上述分析可以看出，随着煤柱宽度进一步加大，巷道顶、底板所受支承压力逐渐减小，而煤柱中虽然存在一定的应力集中，但是应力集中程度逐渐降低，煤柱中应力分布区域划分逐渐模糊，大小主应力差逐渐减小，煤柱在整个宽度方向上受力趋于均衡。

1)煤柱宽度为10 m时，巷道沿空侧的应力集中处离帮1.5 m，应力集中系数为1.719，剧烈影响范围0.6 m，影响范围为2.7 m;巷道实体煤侧的应力集中处离帮0.9 m，应力集中系数为1.591，剧烈影响范围1.6 m，影响范围为2.8 m;

2)煤柱宽度为12 m时，巷道沿空侧的应力集中处离帮1.2 m，应力集中系数为1.533，剧烈影响范围2.2 m，影响范围大于4 m;巷道实体煤侧的应力集中处离帮0.8 m，应力集中系数为1.456，剧烈影响范围1.6 m，影响范围为3 m;

3)煤柱宽度为14 m时，巷道沿空侧的应力集中处离帮1 m，应力集中系数为1.521，剧烈影响范围1.8 m，影响范围为5 m;巷道实体煤侧的应力集中处离帮距离小于1 m，应力集中系数为1.492，剧烈影响范围1.3 m，影响范围略小于3 m;

4)煤柱宽度为16 m时，巷道沿空侧的应力集中处离帮1 m，应力集中系数为1.525，剧烈影响范围2 m，影响范围为5.7 m;巷道实体煤侧的的应力集中处离帮0.7 m，应力集中系数为1.503，剧烈影响范围1.4 m，影响范围3 m;

图3 不同宽度煤柱条件下垂直应力及巷道周边垂直应力局部放大图

5)煤柱宽度为18 m时，巷道沿空侧的应力集中处离帮0.8 m，应力集中系数为1.517，剧烈影响范围1.6 m，影响范围为6.4 m;巷道实体煤侧的的应力集中处离帮0.6 m，应力集中系数为1.48，剧烈影响范围1.2 m，影响范围2.8 m;

6)煤柱宽度为20 m时，巷道沿空侧集中处离帮0.6 m，应力集中系数为1.484，剧烈影响范围1.5 m，影响范围4 m;巷道实体煤侧的应力集中处离帮0.5 m，应力集中系数为1.455，剧烈影响范围1 m，影响范围为3 m。随着煤柱宽度的加大，沿空巷道两侧的应力集中范围逐渐缩小，应力集中系数逐渐降低。

综上所述，随着煤柱宽度的增大，煤柱应力集中范围越来越小，应力集中系数越来越小，逐渐呈现均匀承载现象。煤柱宽度10～14 m时，变化幅度最大。16～20 m时，变化较为平缓。

4 不同宽度区段煤柱下巷道围岩变形规律

为了研究不同宽度区段煤柱条件下巷道围岩变形规律，在巷道内设置4个监测点，来记录顶底板及两帮的变形量。不同宽度煤柱巷道围岩变形随煤柱宽度的变化规律如图4所示。

图4 不同宽度煤柱条件下巷道围岩变形曲线图

从上图4可以看出，随着煤柱宽度的增大，巷道围岩位移量逐渐减小，当煤柱宽度为10 m时围岩位移量最大，顶板位移量为62.84 mm，底板位移量为17.08 mm，左帮位移量为21.13 mm，右帮位移量17.7 mm，当煤柱宽度为20 m时围岩位移量最小。通过巷道围岩位移曲线图可以看出清晰看出，当煤柱宽度为10～14 m时，巷道围岩变形变化幅度较明显，当煤柱宽度为16～20 m时，巷道围岩变形几乎保持不变。

5 不同宽度区段煤柱下巷道围岩破坏规律

为了研究不同宽度煤柱条件下巷道围岩破坏规律，取回采巷道50 m处巷道围岩塑性区分布情况进行比较，统计了不同宽度煤柱条件下巷道围岩破坏尺寸，如表2所示。

表2 不同宽度煤柱下巷道围岩塑性区尺寸

从上表2中可以看出，当煤柱宽度为10 m时，在煤柱和巷道的共同作用下，煤柱几乎全部为塑性，巷道围岩也均出现不同程度破坏，巷道顶板塑性区深度为2.75 m，因为底板较为坚硬故底板塑性区深度较小为0.75 m，实体煤帮塑性区深度为3.7 m，煤柱支撑能力较差，塑性变形难于控制;围岩塑性区类型主要表现为剪切塑性区扩展，顶板为受拉塑性区扩展，其原因主要时因为老顶在巷道上方向采空区回转，以及由于工作面回采造成煤柱上应力集中而引起，巷道底板及实体煤帮相对破坏程度较轻，只是处于塑性流动状态，而巷道表面四周围岩基本破坏。当煤柱宽度为12 m时，巷道表面四周围岩仍存在破坏区域，但是比煤柱宽度10 m时有所减少，煤柱靠近采空区侧塑性区范围仍然很大达5.8 m，巷道煤柱侧塑性区范围达3.6 m，煤柱破坏仍相当严重。巷道实体煤帮塑性区深度3 m，两帮煤体塑性区类型为剪切屈服，巷道顶板破坏深度1.5 m左右，底板塑性区深度为0.5 m，塑性区类型仍以剪切屈服为主。当煤柱宽度为14 m时，巷道围岩的破坏主要集中煤柱靠采空区一侧，塑性区范围达5.2 m，巷道靠近煤柱侧破坏范围达2.4 m，巷道实体煤帮塑性区深度1.8 m，巷道顶板破坏深度1.3 m左右，底板塑性区深度为0.38 m。当煤柱宽度为16 m时，煤柱中部存在约4.5 m宽的弹性核，煤柱靠近采空区侧塑性区达4.8 m，巷道帮部塑性区深度1 m左右，两帮煤体塑性区类型为剪切屈服，巷道顶板破坏深度小于1.13 m，底板破坏深度略小于0.3 m。煤柱宽度为18 m时，煤柱中部弹性核宽度为7 m，巷道帮部塑性区深度1 m，两帮煤体塑性区类型为剪切屈服，巷道顶板塑性区深度0.96 m，底板破坏深度0.3 m。煤柱宽度为20 m时，受煤柱高应力影响较小，巷道深部围岩整体完整性较好，顶底板及两帮破坏区减少，但受上区段工作面回采扰动影响，巷道表面塑性区范围和18 m时相差不大。

通过前面的分析可知，随着煤柱宽度的增加，煤柱塑性区逐渐减小，巷道围岩塑性区范围也逐渐减小，通过不同煤柱宽度巷道围岩塑性区柱状图可以清晰的看出当煤柱宽度为10～14 m时，煤柱及巷道围岩塑性区范围变化较大，当煤柱宽度16～20 m时较为缓和。可以看出，随着煤柱宽度的增大，煤柱弹性核的范围越大，煤柱越稳定，但煤柱过宽会造成资源的浪费。综合以上分析结果，当区段煤柱的尺寸在14～16 m之间时，对巷道维护极为有利。

6 结论

本文利用FLAC3D数值模拟软件通过建立模型对不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力、变形及破坏规律进行分析，得到以下结论:

1)随着煤柱宽度的增大，煤柱应力集中范围越来越小，应力集中系数越来越小，逐渐呈现均匀承载现象。煤柱宽度10～14 m时，变化幅度最大。16～20 m时，变化较为平缓;

2)随着煤柱宽度的增大，巷道围岩位移量逐渐减小，当煤柱宽度为10 m时围岩位移量最大，顶板位移量为62.84 mm，底板位移量为17.08 mm，左帮位移量为21.13 mm，右帮位移量17.7 mm。当煤柱宽度为10～14 m时，巷道围岩变形变化幅度较明显，当煤柱宽度为16～20 m时，巷道围岩变形几乎保持不变;

3)随着煤柱宽度的增加，煤柱塑性区逐渐减小，巷道围岩塑性区范围也逐渐减小，当煤柱宽度为10～14 m时，煤柱及巷道围岩塑性区范围变化较大，当煤柱宽度16～20 m时较为缓和;

4)通过对不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力、变形及破坏情况分析，可以看出，随着煤柱宽度的增大，煤柱弹性核的范围越大，煤柱越稳定，回采巷道越安全，考虑到煤柱过宽会造成资源的浪费，最终确定合理的区段煤柱尺寸在14～16 m之间。

［1］ 崔廷锋，张魁，徐新斌.大采高工作面回采巷道护巷煤柱合理宽度研究［J］.中国矿业，2012，21(5):88－90.

［2］ 王传团，张绍敏.回采巷道合理煤柱尺寸的确定［J］.煤矿开采，2002，7(4):49 －51.

［3］ 屠世浩，白庆升，屠洪盛.浅埋煤层综采面护巷煤柱尺寸和布置方案优化［J］.采矿与安全工程学报，201l，28(4):505－510.

［4］ 宋选民，王安.浅埋煤层回采巷道合理煤柱宽度的实测研究［J］. 太原理工大学学报，2003，34(6):674－678.

［5］ 张嘉凡，石平五.浅埋煤层长壁留煤柱开采方法的有限元分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(15):2539－2542.