巷旁煤柱留设宽度对巷道底鼓及破坏形式的作用分析

常 啸，崔增斌

（山东科技大学矿业与安全与工程学院，山东 青岛 266590）

煤炭是维护国家能源供给不可或缺的组成部分，在国家社会经济取得的成绩中发挥着难以磨灭的作用。在长期煤炭开采中，巷道底鼓引发的安全事故占煤矿安全事故的比例极大，严重影响煤矿的安全生产。为保障巷道稳定增加了保护煤柱的宽度，使大量煤炭资源不可采，为了采出弃置的煤炭资源、提高资源利用率、并保证巷道稳定，为此大量学者对此进行了大量研究：柏建彪、李文峰等通过理论分析与数值模拟分析了煤柱巷道底鼓与变形机理，得出了水平应力和采动影响、底板岩性对顶底板影响极大，并提出了“两点三区”这一力学模型[1]；蒋力帅、张培鹏等利用数值模拟与工程实际，建立了winkler可变承载的悬臂梁力学模型，并以此提出了控制巷道两侧围岩护巷支护原理，通过对两帮和帮角的围岩强度进行补强进而提高巷道支护体系的承载能力，得到了保护巷道、降低顶底板破坏的结果[2]；王卫军、冯涛通过有限元差分软件分析了巷道两帮岩体强度对巷道底板移近量的影响规律，得出了巷道两帮围岩强度与底板移近量成反比例关系，并在工程实践中得到了验证[3]；刘学生、谭云亮等以最大Lyapunov指数为理论基础，研究了巷道围岩应变情况并建立了预测方法，且对两种预计方式进行对比并分析了两种方式的有效性，以此为巷道围岩强度补偿设计提供了科学依据，得出了巷道围岩变形速度具有混沌特性的结果，并通过工程实践得到了验证[4]；李军伟通过现场实践分析了巷道失稳及底鼓的影响因素，并提出了优化巷道支护对策取得了良好效果[5]；其他学者等对巷道底鼓等成因及巷道支护进行了大量的研究[6-12]。巷道底鼓不仅影响围岩稳定性、通风、行人、运输等而且降低安全生产效率，增加生产成本，不利于煤矿安全生产。然而大多数研究主要集中在巷道围岩强度、应力等对巷道失稳破坏的影响，对护巷煤柱的宽度对巷道底鼓的研究较少，因此本文利用有限元差分软件、理论分析等方法来研究巷帮煤柱留设尺寸对巷道底板移近、底鼓的影响效果，并在保障巷道安全的前提下确定巷帮煤柱留设尺寸。

1 研究巷道的地质概况

某矿位于大同矿区，其3号煤与5号煤为独立两层煤，地层年代为石炭系，本文中，设计开采5号煤层，设计开采区域煤厚约为6 m，区域内平均煤层埋藏深度约为450 m，工作面设计长度500 m，基本顶大部分由粉砂岩和细砂岩构成，砂质泥岩是某矿基本顶与底板主要组成成分。矩形巷道断面，单巷布置工作面，顺槽沿煤层底板掘进，顺槽宽×高为4 m×3 m，为提高煤炭资源利用率，降低煤炭资源浪费，需保障巷道稳定需设计合理的护巷煤柱宽度。

2 数值模型建立及结果分析

2.1 建立数值模型

以运输巷建模，模型长500 m、宽16 m、高33 m，设计煤层顶底板岩性均为砂质泥岩，上覆岩层岩性由下至上分别为细粉砂岩及粉砂岩，经计算上覆岩层补偿载荷以10.5 MPa的垂直应力，以分布力形式加载于模型上部，各岩层的物理参数如下页表1所示。

2.2 模拟方案

本次模拟采用控制变量的方法进行，采用巷帮煤柱留设尺寸这一单一变量进行模拟，具体方案如下：分别模拟煤柱宽度为6 m、10 m、15 m、20 m、30 m、40 m情况下对巷道底板移近量的影响。

2.3 模拟结果及分析

表1 各岩体物理力学参数

图1 为不同巷帮煤柱尺寸下巷道底鼓的位移云图。

图2 为沿巷道顶底板中点的位移示意图。

图1 不同巷帮煤柱尺寸下巷道底鼓的位移云图

由图1和图2可知，当留设煤柱尺寸为6 m时底板移近量达34.2 cm；留设煤柱尺寸为10 m时底板移近量达3.6 cm；留设煤柱尺寸为15 m时底板移近量达5.5 cm；留设煤柱尺寸为20 m时底板移近量达8.2 cm；留设煤柱尺寸为30 m时底板移近量达16.2 cm；留设煤柱尺寸为40 m时底板移近量达3.2 cm。具体曲线对比如图3所示。

由此图3可知，巷道底鼓量大小与留设煤柱尺寸间具有非线性关系，当留设煤柱尺寸小于10 m时，底板移近量随留设煤柱宽度增大急剧降低，煤柱宽度由10 m增加至30 m时，巷道底板位移量随留设煤柱尺寸增大而缓慢增长，留设煤柱尺寸大于30 m时底板移近量又呈递减趋势。因此，合理的煤柱尺寸的确定既可以保障巷道围岩抗变形能力，并且提高煤炭产量，由上述可知留设煤柱尺寸宜选取在8~12 m之间。

图2 沿巷道顶底板中点的位移示意图

图3 具体曲线对比图

3 理论分析

图4 为不同巷帮煤柱尺寸下巷道底部鼓的应力图。

图4 不同巷帮煤柱尺寸下巷道底鼓的应力云图

由图4可知，留设煤柱不同尺寸时巷道两帮及下帮角受力分别为2～6 MPa、3～6 MPa，1.5～6.0 MPa、2～6 MPa，2～6 MPa、2.5～6.0 MPa，2～6 MPa、2.5～6 MPa，2～6 MPa、2.5～6.0 MPa，2～6 MPa、2.5～6.0 MPa；上帮角受力分别为3～6 MPa、4～6 MPa，2～6 MPa、2.5～6 MPa，2.5～6 MPa、3.0～6.0 MPa，2.5～6.0 MPa、3.0～6.0 MPa，2.5～6.0 MPa、3.0～6.0 MPa，2.5～6.0 MPa、3.0～6.0 MPa。

图5 为围岩应力曲线图。

图5 围岩应力曲线图

由图5可知，巷道底板主要受来自水平应力的剪切破坏且上帮角受力大于两帮，会造成巷道底板破裂并引发底鼓，引发巷道断面面积减少，进而产生工作面各系统安全生产隐患，因此为保障巷道稳定需在选取合理宽度的护巷煤柱时采取加强顶底板和两帮及帮角的强度，增加巷道围岩强度，做到、保质、保量保安全生产。

4 结论

1）设计和研究了留设煤柱尺寸对底板的影响规律，得出了巷道底板移近量与留设煤柱尺寸间具有非线性关系。

2）通过分析有限元差分软件的结果，推得护巷煤柱宽度宜选取范围为8～12 m，在保障底鼓量较小的情况下成本经济。

3）提出了加强顶底板、两侧及上下帮角强度以此提高围岩抗应变能力的措施。