大采高工作面护巷煤柱留设宽度分析

李权+张俊龙+宋宇鹏

摘要：护巷煤柱留设宽度的大小直接关系到巷道受邻近工作面采动破坏程度，结合现场巷道变形的实测及运用FLAC3D数值模拟分析软件分析出不同护巷煤柱宽度下支承压力分布规律，得出合理的护巷宽度，以达到最大限度降低巷道维护费用和最大限度地回收煤炭资源的目的。

关键词：护巷煤柱宽度  采动破坏  FLAC3D  支承压力分布规律

回采巷道一侧的护巷煤柱用于隔离采空区和维护巷道，是上个回采工作面采空区和巷道边缘支承压力的主要承载体，所以煤柱的变形破坏对巷道成型维护及顶板岩层控制有极大的影响。研究表明[1]：煤柱的尺寸大小直接影响到巷道受动压破坏变形程度，煤柱尺寸的大小直接影响到回采巷道在回采期间的稳定性，合理的煤柱尺寸确定是工作面开采设计的重要部分。

1 工程地质条件

王庄煤业3502回风顺槽沿3#煤煤层顶底板掘进，巷道断面为矩形，巷道宽5m，高5m，直接顶为4.76m厚砂质泥岩，基本的为5.30m厚的细砂岩，直接底为2.63m厚的灰黑色泥岩，基本底为2.20m厚的细砂岩。煤层厚4.20～6.07m，平均厚5.08m，煤层埋深360m，倾角4°-6°，属于近水平煤层。巷道与3501回采工作面采空区相邻，中间相隔15m护巷煤柱，3502回风顺槽掘出后受3501回采工作面采动影响，巷道两帮起鼓严重，巷道断面宽度由5.0m收缩到2.5m左右，局部巷道两帮移近量达到3.0m。

2 计算模型及参数选取

本次计算采用FLAC3D模拟软件对3501采空区周围煤壁支承压力以及3502回风顺槽布置不同位置时巷道围岩应力及变形破坏机理进行模拟分析。

2.1 建立计算模型 设计模型几何尺寸为3#煤设计模型几何尺寸为150m×50m×40m（x×y×z）。其中煤层走向方向为模型x方向，倾向方向为y方向，铅垂方向为z方向。模型边界条件具体界定如下：以分析王庄矿区3501采空区及3502回风顺槽所在的3#煤层底板以上20m作为上边界，3#煤层顶板以下20m作为下边界，采空区左边缘实体煤壁为60m，3501采空区占模型长度90m，采空区90m以外对左侧煤壁的影响可以忽略不计，因此不用建在模型之内[2]。计算模型如图1所示。

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图1  王庄3#煤层开采模拟模型图

2.2 模型参数的选取为了客观的、真实的反映3#煤层开采时的矿山压力显现规律和对煤壁的影响，模型中岩石的赋存情况、岩性、厚度以及力学参数都应该参考实际参数，把煤层上下方分别20m范围内的岩层赋予相应的参数，模型中主要岩层的岩性、厚度以及力学参数见表1所列。

表1  3#煤层顶底板赋存特征与力学参数

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3 3501采空区周围煤体中支承应力分布情况

首先模拟计算3501工作面回采之后采空区周围煤壁中支承应力分布情况。

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图2  3501采空区边缘竖直应力云图

从图2中可以看出，3501采空区煤壁中最大竖直应力距采空区边缘约6m，且最大竖直应力为24.6MPa，为原岩应力的2.72倍，15m处支承应力为16MPa，20m处支承压力为10MPa，接近原岩应力。巷道布置在7m至20m之间时巷道所受到3501工作面采空区周围支承压力较大，巷道最难维护;巷道布置在20m以外，受到的采动影响很小。支承压力曲线如图3所示。

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图3  3501采空区边缘煤壁中支承压力曲线

4 3种不同护巷煤柱宽度时煤柱应力分布状况

模拟分析3502回风顺槽护巷煤柱为15m、20m和5m三种情况下巷道围岩应力分布状况。

4.1 护巷煤柱15m时支承应力分布 模拟得出的15m护巷煤柱时竖直应力云图及支承压力曲线如图4和图5所示。

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图4  15m煤柱时竖直应力云图

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图5  15m煤柱中支承压力曲线图

由上图得出，靠近巷道和采空区4m处各出现两个支承压力峰值点，支承应力曲线呈马鞍型，峰值分别为20MPa和26MPa，距巷道侧出现的峰值压力较小。根据矿山压力理论：这两个峰值点分别为煤柱与巷道和采空区边缘的弹性区和塑性区破坏区的分界点，两个峰值点以外的煤壁区域均受到不同程度的塑性破坏。留15m煤柱时，煤柱集中承受了采空区边缘支承压力的作用，因此矿上压力显现比较剧烈，巷变形严重。

4.2 护巷煤柱20m时支承应力分布 模拟得出的20m护巷煤柱时应力云图及煤柱中应力曲线如图6和图7所示。

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图6  20m煤柱竖直应力云图

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图7  20m煤柱时竖直应力图

根据上图：20m煤柱时煤柱中的支承压力峰值点趋近采空区，巷道附近支承压力较小，有利于巷道的维护。

4.3 护巷煤柱5m时支承应力分布

如果为了提高煤炭回收率，考虑在3501采空区边缘留小煤柱掘进巷道时情况，模拟得出的支承应力云图和支承压力曲线图如图8和图9。

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图8  5m煤柱时竖直应力云图

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图9  5m煤柱时煤柱中支承应力曲线图

由上图可知，护巷煤柱5m时，采空区边缘支承压力向煤壁深处转移，支承压力峰值点集中在巷道左侧距巷帮2.2m处，最大支承压力峰值为20.1MPa。煤柱中最大支承压力峰值点位于煤柱中央，最大值为20MPa，从煤柱整体上煤柱所承受的支承压力比留设15m煤柱时小。

4.4 三种不同煤柱尺寸下支承应力及巷道塑性破坏情况对比分析 通过对三种不同煤柱尺寸下巷道围岩受力状况模拟分析，得出了3组煤柱中支承压力曲线，以及巷道围岩出现的塑性变形情况图。

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图10  三种不同煤柱尺寸支承压力曲线

由图10可知：护巷煤柱较大时，煤柱主要承载了采空区边缘支承压力，小煤柱护巷时，巷道左侧煤壁主要承载了巷道及采空区边缘支承压力。模拟得出的3种不同护巷煤柱宽度时巷道围岩塑性破坏情况如图11、图12和图13所示。

由上图可知：15m煤柱时巷道两帮塑性破坏区深度达到3m，巷道右帮破坏区面积明显大于左帮，煤柱中压力较大，变形严重，不利于巷道维护。留设20m煤柱时巷道两帮塑性区深度为2m，巷道变形程度较小，有利于巷道维护。5m煤柱时，整个煤柱出现塑性破坏，破坏后的煤体承载力下降，应力向巷道左帮转移。

5 结论

通过FLAC3D有限元软件模拟得出护巷煤柱分别为15m、20m和5m时煤柱中应力分布及塑性破坏规律的分析，现就王庄煤业大采高工作面回采巷道煤柱设计结论及建议如下：

①回采巷道护巷煤柱留设20m时比较安全，巷道受到采空区周围支承压力影响较小，巷道变形破坏较小，有利于巷道维护。②护巷煤柱15m时煤柱承载的支承应力较大，巷道变形破坏较严重，不利于巷道的维护。③留设5m左右护巷道煤柱时，煤柱整体出现塑性破坏，但煤柱中支承应力较小，巷道变形较小，可考虑煤柱出现塑性破坏后采用注浆的方法加固煤柱——维护巷道，有利于煤炭资源回收，增加效益。

参考文献：

[1]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[2]刘波，韩彦辉.FLAC3D原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]宋成标.极近距离不稳定煤层联合开采护巷煤柱宽度的探讨[J].中国煤炭，2011（05）.

作者简介：李权（1987-），男，河南泌阳人，技术员，研究生，从事顶板管理及巷道支护设计等工作。endprint

摘要：护巷煤柱留设宽度的大小直接关系到巷道受邻近工作面采动破坏程度，结合现场巷道变形的实测及运用FLAC3D数值模拟分析软件分析出不同护巷煤柱宽度下支承压力分布规律，得出合理的护巷宽度，以达到最大限度降低巷道维护费用和最大限度地回收煤炭资源的目的。

关键词：护巷煤柱宽度  采动破坏  FLAC3D  支承压力分布规律

回采巷道一侧的护巷煤柱用于隔离采空区和维护巷道，是上个回采工作面采空区和巷道边缘支承压力的主要承载体，所以煤柱的变形破坏对巷道成型维护及顶板岩层控制有极大的影响。研究表明[1]：煤柱的尺寸大小直接影响到巷道受动压破坏变形程度，煤柱尺寸的大小直接影响到回采巷道在回采期间的稳定性，合理的煤柱尺寸确定是工作面开采设计的重要部分。

1 工程地质条件

王庄煤业3502回风顺槽沿3#煤煤层顶底板掘进，巷道断面为矩形，巷道宽5m，高5m，直接顶为4.76m厚砂质泥岩，基本的为5.30m厚的细砂岩，直接底为2.63m厚的灰黑色泥岩，基本底为2.20m厚的细砂岩。煤层厚4.20～6.07m，平均厚5.08m，煤层埋深360m，倾角4°-6°，属于近水平煤层。巷道与3501回采工作面采空区相邻，中间相隔15m护巷煤柱，3502回风顺槽掘出后受3501回采工作面采动影响，巷道两帮起鼓严重，巷道断面宽度由5.0m收缩到2.5m左右，局部巷道两帮移近量达到3.0m。

2 计算模型及参数选取

本次计算采用FLAC3D模拟软件对3501采空区周围煤壁支承压力以及3502回风顺槽布置不同位置时巷道围岩应力及变形破坏机理进行模拟分析。

2.1 建立计算模型 设计模型几何尺寸为3#煤设计模型几何尺寸为150m×50m×40m（x×y×z）。其中煤层走向方向为模型x方向，倾向方向为y方向，铅垂方向为z方向。模型边界条件具体界定如下：以分析王庄矿区3501采空区及3502回风顺槽所在的3#煤层底板以上20m作为上边界，3#煤层顶板以下20m作为下边界，采空区左边缘实体煤壁为60m，3501采空区占模型长度90m，采空区90m以外对左侧煤壁的影响可以忽略不计，因此不用建在模型之内[2]。计算模型如图1所示。

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图1  王庄3#煤层开采模拟模型图

2.2 模型参数的选取为了客观的、真实的反映3#煤层开采时的矿山压力显现规律和对煤壁的影响，模型中岩石的赋存情况、岩性、厚度以及力学参数都应该参考实际参数，把煤层上下方分别20m范围内的岩层赋予相应的参数，模型中主要岩层的岩性、厚度以及力学参数见表1所列。

表1  3#煤层顶底板赋存特征与力学参数

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3 3501采空区周围煤体中支承应力分布情况

首先模拟计算3501工作面回采之后采空区周围煤壁中支承应力分布情况。

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图2  3501采空区边缘竖直应力云图

从图2中可以看出，3501采空区煤壁中最大竖直应力距采空区边缘约6m，且最大竖直应力为24.6MPa，为原岩应力的2.72倍，15m处支承应力为16MPa，20m处支承压力为10MPa，接近原岩应力。巷道布置在7m至20m之间时巷道所受到3501工作面采空区周围支承压力较大，巷道最难维护;巷道布置在20m以外，受到的采动影响很小。支承压力曲线如图3所示。

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图3  3501采空区边缘煤壁中支承压力曲线

4 3种不同护巷煤柱宽度时煤柱应力分布状况

模拟分析3502回风顺槽护巷煤柱为15m、20m和5m三种情况下巷道围岩应力分布状况。

4.1 护巷煤柱15m时支承应力分布 模拟得出的15m护巷煤柱时竖直应力云图及支承压力曲线如图4和图5所示。

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图4  15m煤柱时竖直应力云图

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图5  15m煤柱中支承压力曲线图

由上图得出，靠近巷道和采空区4m处各出现两个支承压力峰值点，支承应力曲线呈马鞍型，峰值分别为20MPa和26MPa，距巷道侧出现的峰值压力较小。根据矿山压力理论：这两个峰值点分别为煤柱与巷道和采空区边缘的弹性区和塑性区破坏区的分界点，两个峰值点以外的煤壁区域均受到不同程度的塑性破坏。留15m煤柱时，煤柱集中承受了采空区边缘支承压力的作用，因此矿上压力显现比较剧烈，巷变形严重。

4.2 护巷煤柱20m时支承应力分布 模拟得出的20m护巷煤柱时应力云图及煤柱中应力曲线如图6和图7所示。

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图6  20m煤柱竖直应力云图

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图7  20m煤柱时竖直应力图

根据上图：20m煤柱时煤柱中的支承压力峰值点趋近采空区，巷道附近支承压力较小，有利于巷道的维护。

4.3 护巷煤柱5m时支承应力分布

如果为了提高煤炭回收率，考虑在3501采空区边缘留小煤柱掘进巷道时情况，模拟得出的支承应力云图和支承压力曲线图如图8和图9。

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图8  5m煤柱时竖直应力云图

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图9  5m煤柱时煤柱中支承应力曲线图

由上图可知，护巷煤柱5m时，采空区边缘支承压力向煤壁深处转移，支承压力峰值点集中在巷道左侧距巷帮2.2m处，最大支承压力峰值为20.1MPa。煤柱中最大支承压力峰值点位于煤柱中央，最大值为20MPa，从煤柱整体上煤柱所承受的支承压力比留设15m煤柱时小。

4.4 三种不同煤柱尺寸下支承应力及巷道塑性破坏情况对比分析 通过对三种不同煤柱尺寸下巷道围岩受力状况模拟分析，得出了3组煤柱中支承压力曲线，以及巷道围岩出现的塑性变形情况图。

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图10  三种不同煤柱尺寸支承压力曲线

由图10可知：护巷煤柱较大时，煤柱主要承载了采空区边缘支承压力，小煤柱护巷时，巷道左侧煤壁主要承载了巷道及采空区边缘支承压力。模拟得出的3种不同护巷煤柱宽度时巷道围岩塑性破坏情况如图11、图12和图13所示。

由上图可知：15m煤柱时巷道两帮塑性破坏区深度达到3m，巷道右帮破坏区面积明显大于左帮，煤柱中压力较大，变形严重，不利于巷道维护。留设20m煤柱时巷道两帮塑性区深度为2m，巷道变形程度较小，有利于巷道维护。5m煤柱时，整个煤柱出现塑性破坏，破坏后的煤体承载力下降，应力向巷道左帮转移。

5 结论

通过FLAC3D有限元软件模拟得出护巷煤柱分别为15m、20m和5m时煤柱中应力分布及塑性破坏规律的分析，现就王庄煤业大采高工作面回采巷道煤柱设计结论及建议如下：

①回采巷道护巷煤柱留设20m时比较安全，巷道受到采空区周围支承压力影响较小，巷道变形破坏较小，有利于巷道维护。②护巷煤柱15m时煤柱承载的支承应力较大，巷道变形破坏较严重，不利于巷道的维护。③留设5m左右护巷道煤柱时，煤柱整体出现塑性破坏，但煤柱中支承应力较小，巷道变形较小，可考虑煤柱出现塑性破坏后采用注浆的方法加固煤柱——维护巷道，有利于煤炭资源回收，增加效益。

参考文献：

[1]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[2]刘波，韩彦辉.FLAC3D原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]宋成标.极近距离不稳定煤层联合开采护巷煤柱宽度的探讨[J].中国煤炭，2011（05）.

作者简介：李权（1987-），男，河南泌阳人，技术员，研究生，从事顶板管理及巷道支护设计等工作。endprint

摘要：护巷煤柱留设宽度的大小直接关系到巷道受邻近工作面采动破坏程度，结合现场巷道变形的实测及运用FLAC3D数值模拟分析软件分析出不同护巷煤柱宽度下支承压力分布规律，得出合理的护巷宽度，以达到最大限度降低巷道维护费用和最大限度地回收煤炭资源的目的。

关键词：护巷煤柱宽度  采动破坏  FLAC3D  支承压力分布规律

回采巷道一侧的护巷煤柱用于隔离采空区和维护巷道，是上个回采工作面采空区和巷道边缘支承压力的主要承载体，所以煤柱的变形破坏对巷道成型维护及顶板岩层控制有极大的影响。研究表明[1]：煤柱的尺寸大小直接影响到巷道受动压破坏变形程度，煤柱尺寸的大小直接影响到回采巷道在回采期间的稳定性，合理的煤柱尺寸确定是工作面开采设计的重要部分。

1 工程地质条件

王庄煤业3502回风顺槽沿3#煤煤层顶底板掘进，巷道断面为矩形，巷道宽5m，高5m，直接顶为4.76m厚砂质泥岩，基本的为5.30m厚的细砂岩，直接底为2.63m厚的灰黑色泥岩，基本底为2.20m厚的细砂岩。煤层厚4.20～6.07m，平均厚5.08m，煤层埋深360m，倾角4°-6°，属于近水平煤层。巷道与3501回采工作面采空区相邻，中间相隔15m护巷煤柱，3502回风顺槽掘出后受3501回采工作面采动影响，巷道两帮起鼓严重，巷道断面宽度由5.0m收缩到2.5m左右，局部巷道两帮移近量达到3.0m。

2 计算模型及参数选取

本次计算采用FLAC3D模拟软件对3501采空区周围煤壁支承压力以及3502回风顺槽布置不同位置时巷道围岩应力及变形破坏机理进行模拟分析。

2.1 建立计算模型 设计模型几何尺寸为3#煤设计模型几何尺寸为150m×50m×40m（x×y×z）。其中煤层走向方向为模型x方向，倾向方向为y方向，铅垂方向为z方向。模型边界条件具体界定如下：以分析王庄矿区3501采空区及3502回风顺槽所在的3#煤层底板以上20m作为上边界，3#煤层顶板以下20m作为下边界，采空区左边缘实体煤壁为60m，3501采空区占模型长度90m，采空区90m以外对左侧煤壁的影响可以忽略不计，因此不用建在模型之内[2]。计算模型如图1所示。

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图1  王庄3#煤层开采模拟模型图

2.2 模型参数的选取为了客观的、真实的反映3#煤层开采时的矿山压力显现规律和对煤壁的影响，模型中岩石的赋存情况、岩性、厚度以及力学参数都应该参考实际参数，把煤层上下方分别20m范围内的岩层赋予相应的参数，模型中主要岩层的岩性、厚度以及力学参数见表1所列。

表1  3#煤层顶底板赋存特征与力学参数

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3 3501采空区周围煤体中支承应力分布情况

首先模拟计算3501工作面回采之后采空区周围煤壁中支承应力分布情况。

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图2  3501采空区边缘竖直应力云图

从图2中可以看出，3501采空区煤壁中最大竖直应力距采空区边缘约6m，且最大竖直应力为24.6MPa，为原岩应力的2.72倍，15m处支承应力为16MPa，20m处支承压力为10MPa，接近原岩应力。巷道布置在7m至20m之间时巷道所受到3501工作面采空区周围支承压力较大，巷道最难维护;巷道布置在20m以外，受到的采动影响很小。支承压力曲线如图3所示。

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图3  3501采空区边缘煤壁中支承压力曲线

4 3种不同护巷煤柱宽度时煤柱应力分布状况

模拟分析3502回风顺槽护巷煤柱为15m、20m和5m三种情况下巷道围岩应力分布状况。

4.1 护巷煤柱15m时支承应力分布 模拟得出的15m护巷煤柱时竖直应力云图及支承压力曲线如图4和图5所示。

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图4  15m煤柱时竖直应力云图

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图5  15m煤柱中支承压力曲线图

由上图得出，靠近巷道和采空区4m处各出现两个支承压力峰值点，支承应力曲线呈马鞍型，峰值分别为20MPa和26MPa，距巷道侧出现的峰值压力较小。根据矿山压力理论：这两个峰值点分别为煤柱与巷道和采空区边缘的弹性区和塑性区破坏区的分界点，两个峰值点以外的煤壁区域均受到不同程度的塑性破坏。留15m煤柱时，煤柱集中承受了采空区边缘支承压力的作用，因此矿上压力显现比较剧烈，巷变形严重。

4.2 护巷煤柱20m时支承应力分布 模拟得出的20m护巷煤柱时应力云图及煤柱中应力曲线如图6和图7所示。

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图6  20m煤柱竖直应力云图

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图7  20m煤柱时竖直应力图

根据上图：20m煤柱时煤柱中的支承压力峰值点趋近采空区，巷道附近支承压力较小，有利于巷道的维护。

4.3 护巷煤柱5m时支承应力分布

如果为了提高煤炭回收率，考虑在3501采空区边缘留小煤柱掘进巷道时情况，模拟得出的支承应力云图和支承压力曲线图如图8和图9。

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图8  5m煤柱时竖直应力云图

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图9  5m煤柱时煤柱中支承应力曲线图

由上图可知，护巷煤柱5m时，采空区边缘支承压力向煤壁深处转移，支承压力峰值点集中在巷道左侧距巷帮2.2m处，最大支承压力峰值为20.1MPa。煤柱中最大支承压力峰值点位于煤柱中央，最大值为20MPa，从煤柱整体上煤柱所承受的支承压力比留设15m煤柱时小。

4.4 三种不同煤柱尺寸下支承应力及巷道塑性破坏情况对比分析 通过对三种不同煤柱尺寸下巷道围岩受力状况模拟分析，得出了3组煤柱中支承压力曲线，以及巷道围岩出现的塑性变形情况图。

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图10  三种不同煤柱尺寸支承压力曲线

由图10可知：护巷煤柱较大时，煤柱主要承载了采空区边缘支承压力，小煤柱护巷时，巷道左侧煤壁主要承载了巷道及采空区边缘支承压力。模拟得出的3种不同护巷煤柱宽度时巷道围岩塑性破坏情况如图11、图12和图13所示。

由上图可知：15m煤柱时巷道两帮塑性破坏区深度达到3m，巷道右帮破坏区面积明显大于左帮，煤柱中压力较大，变形严重，不利于巷道维护。留设20m煤柱时巷道两帮塑性区深度为2m，巷道变形程度较小，有利于巷道维护。5m煤柱时，整个煤柱出现塑性破坏，破坏后的煤体承载力下降，应力向巷道左帮转移。

5 结论

通过FLAC3D有限元软件模拟得出护巷煤柱分别为15m、20m和5m时煤柱中应力分布及塑性破坏规律的分析，现就王庄煤业大采高工作面回采巷道煤柱设计结论及建议如下：

①回采巷道护巷煤柱留设20m时比较安全，巷道受到采空区周围支承压力影响较小，巷道变形破坏较小，有利于巷道维护。②护巷煤柱15m时煤柱承载的支承应力较大，巷道变形破坏较严重，不利于巷道的维护。③留设5m左右护巷道煤柱时，煤柱整体出现塑性破坏，但煤柱中支承应力较小，巷道变形较小，可考虑煤柱出现塑性破坏后采用注浆的方法加固煤柱——维护巷道，有利于煤炭资源回收，增加效益。

参考文献：

[1]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[2]刘波，韩彦辉.FLAC3D原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]宋成标.极近距离不稳定煤层联合开采护巷煤柱宽度的探讨[J].中国煤炭，2011（05）.

作者简介：李权（1987-），男，河南泌阳人，技术员，研究生，从事顶板管理及巷道支护设计等工作。endprint