不同煤柱宽度对围岩应力与变形影响模拟研究

杨利刚，孙中光

(1.国电建投内蒙古能源有限公司 察哈素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400039)

护巷煤柱宽度是工作面开采设计的重要参数，煤柱的宽度决定了回采引起的支承压力对巷道的影响程度[1]，合理的煤柱宽度直接决定了煤炭的采出率，同时影响到巷道的使用效率和维护成本。因此，合理确定护巷煤柱的宽度对提高采区采出率和维护工作面安全生产有着非常重要的意义[2-3]。

关于煤柱合理留设宽度问题，前人做了大量的研究，总结出了很多确定煤柱合理尺寸的方法[1,3-6]：1) 由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) 运用矿山压力规律及留设各种煤柱的方法及经验公式对煤柱的合理尺寸进行分析。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煤柱的合理宽度范围。4) 根据岩体的极限平衡理论推导出护巷煤柱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。本文运用FLAC3D数值模拟l软件，对鄂尔多斯地区某煤矿2101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。

1 工作面状况

该煤矿地层产状平缓，倾向220°～260°，地层倾角小于5°。2101工作面为该矿22煤采区第一个工作面，工作面四周及上下煤层均为实炭区，煤层结构较简单，含1～2层夹矸，煤层厚度4.6～10.6 m，夹矸厚0.3～1.9 m，煤层倾角为0～5°，顶板为细粒砂岩及砂质泥岩，底板多为泥岩。

2 模型建立及参数选取

1) 模型几何尺寸：模型走向长160 m，倾向345 m，高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°，煤层厚度7 m，采高6.2 m，回采倾向长度为240 m。回采巷道截面形状为矩形，长5 m，高3.6 m，沿底板掘进。所建三维计算模型网格及垂直应力分布图见图1。

图1 数值计算模型及原岩垂直应力分布图

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12 m、14 m、16 m、18 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20 m，周期来压步距为10 m。为了记录巷道围岩的变形量，在巷道内选取4个表面位移监测点：两帮中部各布置1个测点，监测两帮水平位移；顶底板中部各布置1个测点，分别监测顶板下沉位移和底鼓位移。

3) 模型边界条件：巷道在实体煤中掘进，左侧为工作面，右侧为实体煤，整个模型在前、后，左、右及下部均为固定边界，无水平位移。

3 不同宽度区段煤柱下巷道围岩应力分布规律

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见图2。

图2 垂直应力及巷道周边垂直应力局部放大图

从图2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。

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

3) 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。

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

5) 由上述分析可以看出，随着煤柱宽度的加大，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。

a) 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>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。

b) 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<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<3 m。

c) 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。

d) 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。

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12～14 m时，变化幅度最大。16～18 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，不同煤柱宽度下巷道围岩位移量见表1。

表1 不同煤柱宽度下巷道围岩位移量表

从表1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12 m时围岩位移量最大，顶板位移量为58.9 mm，底板位移量为16.43 mm，左帮位移量为18.39 mm，右帮位移量16.06 mm；当煤柱宽度为18 m时围岩位移量最小。通过巷道围岩位移曲线图可以看出，当煤柱宽度为12～14 m时，巷道围岩变形幅度较明显，当煤柱宽度为16～18 m时，巷道围岩变形较小。

通过前面的分析可以得出，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时，对巷道维护最为有利。

5 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及变形规律进行分析，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12～14 m时，变化幅度最大；16～18 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12～14 m时，巷道围岩变形变化幅度较明显，当煤柱宽度为16～18 m时，巷道围岩变形几乎保持不变。

3) 通过对不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力及变形情况分析，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。

4) 考虑经济因素，结合数值模拟对比结果，最终确定合理的区段煤柱尺寸为14～16 m。

参 考 文 献

[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,2003：37-38.

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[3]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.

[4]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.

[5]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.

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