快速支护工艺下煤柱与围岩稳定性数值分析

刘 斌

（潞安矿业集团 余吾煤业，山西 长治 046100）

快速支护工艺下煤柱与围岩稳定性数值分析

刘 斌

（潞安矿业集团 余吾煤业，山西 长治 046100）

以二次动压影响条件下巷道快速掘进为背景，应用数值模拟软件，分析了各时期不同宽度煤柱条件下巷道围岩应力分布与变形规律，确定了合理的煤柱留设尺寸。现场试验证明应用效果良好，研究结果可为类似巷道掘进设计及施工提供参考。

煤柱宽度；围岩稳定性；数值分析

余吾煤业为高瓦斯矿井，巷道埋深大，应力高，传统支护方式下进行过不同尺寸区段煤柱留设研究，取得了一些研究成果，能够适用于特定的围岩工程环境[1-2]。近些年随着掘锚一体机的引进[3-4]，使得快速支护工艺下煤柱的留设成为新的问题，该条件下煤柱的尺寸与地质条件、动压影响、快速支护工艺与支护方式、锚杆支护-岩体承载结构都密切相关[5-6]。文章以余吾煤业公司S1205运输巷的掘进为背景，采用数值模拟方法，分析研究不同时段不同宽度煤柱条件下巷道的应力变化与变形规律，最终确定合理的护巷煤柱宽度，使之既能满足巷道变形要求，又能最大化回收煤炭资源。

1 计算模型的建立

1.1 工程概况

余吾煤业公司通过引进久益公司锚一体化机组12CM30，应用快速支护工艺首次在S1203运输巷取得良好效果，为了扩大掘锚机组的应用效益，在S1203运输巷掘进完毕后，掘锚机组将用于相邻S1205运输巷的掘进。S1205运输巷掘进期间，将受到相邻S1203工作面回采强烈动压影响，另外，在服务年限中还将受本工作面回采动压影响，可见，S1205回风巷属于困难条件下巷道维护。

1.2 计算模型

采用FLAC3D数值软件进行模拟。建模严格依据余吾矿现场实际工程地质状况，坐标系采用直角坐标系，XOY平面取为水平面，Z轴取铅直方向，并且规定向上为正。取S1205工作面运输巷断面左下脚点为坐标原点，水平向右为X轴正方向，沿巷道方向垂直向内为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，重力方向沿Z轴负方向。三维模型的边界条件取为：四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。初始应力按照地质力学测试实测数据进行施加：最大垂直应力为11.22 MPa，最大水平应力为5.16 MPa。数值模拟留设煤柱尺寸为15 m、20 m、25 m、30 m和35 m时围岩应力分布和变形情况。

2 数值模拟分析

分别模拟巷道掘进、S1203工作面回采、S1205工作面回采期间不同尺寸煤柱的应力分布及变形情况，确定合理的护巷煤柱宽度。

2.1 巷道掘进阶段

1）应力分析。通过分析应力分布情况，S1203工作面运输巷与S1205工作面运输巷并行掘进后，两条巷道围岩的最大垂直应力集中区域主要分布于巷道的两帮，最大水平应力主要分布于巷道的顶煤和底板位置处。留设不同尺寸煤柱时的最大垂直主应力和最大水平主应力总体相当，但同时存在少量差别。从数据上来看，最大垂直应力值随着煤柱尺寸的增加有少量减少，而最大水平应力值随着煤柱尺寸的增加有少量增大。从巷道掘进后围岩垂直应力和水平应力分布场来看，预留15 m和20 m煤柱时两条巷道的应力场存在相互叠加现象，当煤柱尺寸大于25 m时，巷道围岩的应力分布基本处于相互独立的状态。

2）位移分析。图1是不同宽度煤柱条件下位移分布情况。从图1可以看出，S1203工作面回风顺槽与S1205工作面运输巷并行掘进阶段巷道围岩及煤柱的变形量不大。从巷道掘进后巷道周围煤岩体位移分布场来看，当留设15 m、20 m及25 m时，煤柱存在不同程度的位移叠加现象，当煤柱尺寸达到30 m或以上时，两条巷道掘进引起的位移场相互独立，互不影响。

图1 不同宽度煤柱条件下位移分布（巷道掘进阶段）

2.2 相邻工作面回采阶段

1）应力分析。图2显示了S1203工作面回采后煤柱最大主应力的分布情况。从图中可以看出，当S1203工作面回采之后，留设15 m煤柱时煤柱内部最大主应力为55 MPa；留设20 m煤柱时煤柱内部最大主应力为51.5 MPa；留设25 m煤柱时煤柱内部最大主应力为49.6 MPa；留设30 m煤柱时煤柱内部最大主应力为50.7 MPa，留设35 m煤柱时煤柱内部最大主应力为51.4 MPa。从不同尺寸煤柱最大主应力分布范围来看，当留设15 m煤柱时，煤层回采及放顶煤之后煤柱所形成的应力集中区与S1205运输巷掘进所形成的应力集中区相互重叠，几乎整个S1205运输巷围岩都在回采影响范围之内。当留设20 m煤柱时，S1205运输巷在靠近煤柱一侧帮部在煤层回采影响范围之内，出现了明显的应力叠加现象。当留设25 m煤柱时，巷道周围煤岩体在靠近煤柱一侧帮部受煤层回采存在一定影响，但影响范围明显缩小。当留设30 m煤柱和35 m煤柱时，巷道围岩的最大主应力分布受S1203工作面回采影响很小。

图2 不同宽度煤柱条件下应力分布（相邻工作面回采阶段）

2）位移分析。图3是不同宽度煤柱条件下巷道垂直位移分布图。从图3中可以看出，当S1203工作面回采后，由于煤柱受煤层采动和放顶煤的影响，其应力状况发生了改变，从而引起S1205运输巷发生了不同程度的变形。当留设15 m煤柱时，S1205运输巷顶板最大下沉位移为108.7 mm，最大底鼓量为558 mm，靠近S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为408 mm，远离S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为356 mm。当留设20 m煤柱时，S1205运输巷顶板最大下沉位移为96.2 mm，最大底鼓量为477 mm，靠近S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为371 mm，远离S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为352 mm。当留设25 m煤柱时，S1205运输巷顶板最大下沉位移为89.3 mm，最大底鼓量为328 mm，靠近S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为346 mm，远离S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为225 mm。当留设30 m煤柱时，S1205运输巷顶板最大下沉位移为50.6 mm，最大底鼓量为279 mm，靠近S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为266 mm，远离S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为138 mm。当留设35 m煤柱时，S1205运输巷顶板最大下沉位移为49.9 mm，最大底鼓量为276 mm，靠近S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为312 mm，远离S1203回采工作面一侧煤帮最大水平位移为132 mm。从以上数据可以看出，当留设不同煤柱尺寸时，S1203工作面的回采对巷道顶板和靠近煤柱一侧的煤帮变形影响较大，且变形量随着煤柱宽度的增加而递减。

图3 不同宽度煤柱条件下巷道垂直位移分布（相邻工作面回采阶段）

2.3 本工作面回采阶段

1）应力分析。图4是不同宽度煤柱条件下应力分布图。由图4可以看出：当S1205工作面回采后，煤柱受两个工作面回采的影响而不同程度的产生了应力叠加现象。当留设15 m煤柱和20 m煤柱时，煤柱中间部分为应力最大集中区；当留设25 m煤柱时，两个工作面回采所引起的最大应力集中区开始分离，出现了两个最大应力集中区域，最大主应力区域之间距离约为5 m。当留设30 m煤柱和35 m煤柱时，两个工作面的回采所引起的最大主应力集中区域已明显分离，留设30 m煤柱时两个最大应力集中区距离约为20 m，留设35 m煤柱时两个最大应力集中区距离约为25 m。

图4 不同宽度煤柱条件下应力分布（本工作面回采阶段）

2）塑性破坏区分析。图5不同宽度煤柱条件下塑性破坏区。由图5中可以看出：S1203工作面和S1205工作面回采后，顶板煤体已全部破坏，能顺利放顶煤。当留设15 m和20 m煤柱时，煤柱已完全破坏；预留25 m和30 m煤柱时，煤柱中间部分有少量弹性核区；预留35 m煤柱时，煤柱受采动影响所形成的塑性破坏区未相互贯通，中间约有3 m范围的弹性核区。

3 矿压监测

巷道掘进期间，总计设置10组表面位移测站。通过现场实测，在初始掘进时期、相邻工作面回采及本工作面回采时期，巷道变形均在可控范围之内，具体统计数据如表1所示。

图5 不同宽度煤柱条件下塑性破坏区

表1 S1205运输巷表面位移情况统计表

4 结束语

在快速支护工艺条件下，通过数值模拟分析了巷道掘进和两次回采动压影响期间巷道围岩应力分布及其变形规律，最终确定合理的护巷煤柱宽度为30 m，并在实际应用中获得了验证。

[1] 屠世浩,白庆升.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，2011(4)：26-28.

[2]王金亮,赵建光.区段煤柱的载荷与变形时间相关性及其规律[J].煤矿开采，2014(3)：18-20.

[3] 孙旭威.我国掘锚一体技术发展分析与研究[J].煤矿机械，2010，31（3）：4.

[4]宋作文，王志强.EBZ-150掘锚一体机在煤巷掘进中的应用[J].煤炭科学技术，2013，41（8）：41-45.

[5] 马长乐,袁龙飞.大断面煤巷快速掘进施工工艺[J].煤矿安全，2013(5)：39-41.

[6]张占涛.大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2009.

（编辑：武晓平）

Numerical Analysis on Stability of Coal Pillars and Surrounding Rocks with Fast Supporting Technology

LIU Bin
(Yuwu Coal Co.,Ltd.,Lu'an Mining Group,Changzhi 046100,China)

On the background of fast excavation under secondary dynamic pressure,numerical simulation software was used tostudythe stress distribution and deformation ofsurroundingrocks with coal pillars of different widths at various stages so as to determine the reasonable size of the coal pillars.The field test verified the ideal application effects.The results could be reference for the excavation design and construction ofsimilar roadways.

pillar width;surroundingrock stability;numerical analysis

TD353

A

1672-5050（2016）04-027-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.008

2016-04-13

刘斌（1982-），男，河北邯郸人，大学本科，工程师，从事矿井采掘技术管理工作。