伊田煤矿深部巷道合理煤柱尺寸优选分析

李文亮

(山西潞安集团 蒲县伊田煤业，山西 蒲县 041204)

数值模拟法是利用大型有限元计算软件对不同煤柱尺寸下的巷道围岩变形、受力及机理进行计算分析，确定合理煤柱尺寸。数值模拟软件在模拟过程中，对不同地质条件、不同煤柱宽度、不同支护强度条件下的模拟计算操作性比较灵活，模拟结果基本可以反映煤柱或巷道变形破坏的主要规律[1-3]，节省了人力物力成本，具有一定的优越性。但计算机模拟也对部分复杂条件进行了一定的简化，存在参数取值的可靠性问题[4-5].

1 工程背景

伊田煤矿307工作面埋深为910 m，位于东二下山采区，东为东二采区未开发区；西为东二运输机下山及东二回风下山；南为东二采区未开采区；北为306采空区。根据地质资料得知，此区域的地质状况较为复杂，断层发育。煤层厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均倾角12°. 工作面煤层赋存稳定，煤层结构复杂，一般含2～3层炭质泥岩夹矸。煤层顶底板情况见表1. 307工作面平面图见图1.

表1 煤层顶底板岩性表

2 模型建立及分析

2.1 建立模型

根据地质资料、沿空巷道与工作面空间位置关系以及岩层柱状图建立了东二下山采区307工作面模拟的地质模型。根据需要，模型的宽度、高度分别确定为50 m和40 m，宽度方向划分为250个网格，垂直方向划分为140个网格，共计35 000个单元。模型中煤层的倾角为12°. 计算模型的上部边界距地表约894 m，上边界上覆岩层的重量由施加垂直应力进行模拟，由公式p=ρgh确定出垂直应力为22.4 MPa，测压系数取1.2模拟计算水平方向应力。模型的底部限制垂直位移，两侧边限制水平方向位移。各岩层力学计算参数见表2.

图1 307工作面平面布置图

2.2 模拟方案

沿空掘巷煤柱尺寸的确定原方法是通过经验类比法，从巷道变形破坏情况看，该方法具有盲目性和局限性。结合煤矿地质条件复杂多变的情况，采用数值模拟计算的方法确定煤柱尺寸较为方便合理[6]. 因此，利用数值模拟软件分别对煤柱在4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m不同宽度情况下进行数值模拟分析，以得到合理的煤柱尺寸。

表2 各岩层力学参数表

2.3 模拟结果分析

根据模拟分析的锚杆预应力大小对巷道稳定性影响的结果取锚杆预应力为60 kN，在煤柱宽度不同情况下巷道围岩及煤柱塑性区变化图见图2.

由图2可以看出，随着煤柱宽度的增大，塑性区面积也随着扩大，但煤柱宽度为13 m时，塑性面积突然减小，煤柱宽度为14 m时塑性区面积又扩大很多，但相比煤柱在6～12 m宽度情况下，巷道围岩及煤柱范围内的塑性区面积要小。煤柱在4～6 m宽度时，可以看出巷道围岩及煤柱范围内的塑性区面积最小，即巷道和煤柱周围岩体的破坏范围或破坏程度较小。巷道顶板的围岩破坏厚度在1～1.5 m，巷道两肩窝1.5 m以外岩体处于弹塑性状态，较稳定。巷道实体煤帮侧都有一定范围的弹塑性区域，深度约在0～3.8 m. 随着煤柱宽度的加大，塑性区范围由巷道逐渐向煤柱区域延伸，整个沿空侧的破坏面积增大，破坏程度加深。巷道底板两底角围岩塑性区范围随着煤柱宽度的增大而扩大，底板塑性区深度约在4.3 m. 从塑性区演化过程及以上分析可以看出，煤柱宽度在4～6 m时塑性区范围相对较小。

不同煤柱宽度下垂直应力分布图见图3. 由图3可以看出，随着煤柱宽度的加大，煤柱中的垂直应力也在逐渐增大。巷道周围煤岩体形成一个近似圆形的应力降低区，应力降低区域为巷道顶板厚度2～2.6 m，巷道底板应力降低影响深度为4～5 m，实体煤帮为1.5～2 m，沿空侧为2～2.5 m. 煤柱宽度为4～6 m时，煤柱内的最大垂直应力为10 MPa，煤柱内最大垂直应力作用范围分别约为整个煤柱的1/2和2/3，煤柱内有一小范围的应力集中，大小为15 MPa. 煤柱宽度为6 m、8 m时，煤柱内的最大垂直应力增加到15 MPa，影响范围随着煤柱宽度的增大而增加，作用位置偏向采空侧，上覆岩层结构的破断规律原因是上覆岩层直接顶在煤体内破断垮落，直接作用于煤柱上方，形成应力升高区。煤柱宽度为8～12 m时，煤柱内的最大垂直应力从20 MPa增加到30 MPa，煤柱宽度12～14 m时煤柱内产生了35 MPa垂直集中应力，致使整个煤柱处在高应力作用下。

图3 煤柱内垂直应力曲线图

不同煤柱宽度下巷道变形量见表3，图4. 从图3中看出，煤柱宽度越大，煤柱中的垂直应力越高。在4～6 m时，垂直应力比较小，为10 MPa. 水平应力随煤柱宽度的增加变化较为缓慢，煤柱宽度为4～8 m时，应力值为一定值，较稳定，为10 MPa，但在煤柱宽度8～14 m，水平应力随煤柱宽度的增加，从15 MPa增加到25 MPa，煤柱在如此高的水平应力作用下发生剪切破坏，而失去承载能力。

表3 不同煤柱宽度下巷道变形量表

图4 巷道变形量曲线图

由图4可知，两帮移近量：煤柱宽度在4～8 m时变形量较小，煤柱在8～14 m时位移量迅速增大，煤柱10～14 m时变形量较大。实体煤帮变形量随着煤柱宽度的增加变形量呈减小趋势，变化趋势比较缓和，煤柱15 m时最小。煤柱侧变形量随着煤柱宽度的增加而增大，煤柱宽度为4～6 m时，煤帮变形量较小，平均只有118 mm，当煤柱宽度为6～12 m时，煤帮变形速率较大，变形量也随之增大，煤柱宽度为10～14 m时，煤柱变形速率较为缓和比较平稳，但变形量很大。顶底板移近量：随着煤柱宽度的增大，顶板下沉量表现出先增大后减小再平缓的变化趋势，煤柱宽度为4～8 m时，顶板下沉量呈增长趋势，但煤柱在4～6 m时的下沉量平均只有447 mm，煤柱为8～14 m时，顶板下沉量呈减小趋势，从数值上来看，8 m时下沉量最大，为540 mm，平均下沉量为489 mm. 巷道底鼓随着煤柱宽度的增大底鼓量逐渐加大，但底鼓变形趋势比较缓和：煤柱宽度为4～6 m时底鼓量相对较小平均为277 mm，煤柱宽度为6～14 m时，底鼓量平均为345 mm. 从受力分析和围岩变形角度看，选取煤柱宽度为4～6 m时较为合理，既能够保证煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的稳定性。

3 结 论

在深部矿井开采过程中，煤柱宽度的大小对巷道的稳定性起着重要的作用，煤柱宽度不同，巷道围岩的塑性区分布范围和影响深度有着较大的差异，巷道围岩周围应力大小及分布也随着变化，相对应的巷道围岩的变形量有较大的差别。煤柱宽度越大越有利于巷道的稳定，但同时造成严重的煤炭资源浪费，从模拟结果得知，煤柱宽度为4～6 m时既能够保证煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的稳定性。