王 杰

(潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長治 046203)

·試驗(yàn)研究·

保護(hù)煤柱寬度對(duì)順槽穩(wěn)定性影響的研究

王 杰

(潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長治 046203)

順槽是礦井安全、高效生產(chǎn)的必經(jīng)通道，可用于運(yùn)輸、通風(fēng)，因此，順槽的正確維護(hù)就顯得尤為重要。順槽不同于其他永久巷道，順槽兩幫通常由煤柱和工作面煤體組成，然而煤體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于巖體抗壓強(qiáng)度，這就導(dǎo)致順槽兩幫很容易發(fā)生壓裂破壞，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，維護(hù)困難。順槽在煤柱一側(cè)的破壞更加嚴(yán)重，本文利用力學(xué)理論分析的方法對(duì)順槽的穩(wěn)定進(jìn)行研究，并輔以數(shù)值計(jì)算對(duì)不同煤柱寬度對(duì)順槽穩(wěn)定的影響進(jìn)行研究，得出了煤柱寬度越大，對(duì)順槽的穩(wěn)定性越有利，這也就是順槽在煤柱一側(cè)的破壞程度要比工作面煤體側(cè)更加嚴(yán)重的原因。

順槽煤柱;煤柱寬度;順槽穩(wěn)定性;數(shù)值計(jì)算

留設(shè)煤柱是煤礦安全生產(chǎn)中最常用的護(hù)巷方法，也就是說在兩順槽之間留有一定寬度的煤柱，在服務(wù)期間內(nèi)保證順槽圍巖不會(huì)發(fā)生大的變形，從而保護(hù)工作面順槽的穩(wěn)定性［1，2］。煤柱寬度對(duì)順槽穩(wěn)定性影響非常大，因此，對(duì)順槽煤柱寬度的確定顯得尤為重要［3－5］，本文通過寬度不同的順槽煤柱對(duì)工作面順槽圍巖受力特征進(jìn)行分析，進(jìn)而分析順槽煤柱對(duì)工作面順槽穩(wěn)定性的影響。

1 順槽圍巖穩(wěn)定性分析

工作面回采后，煤柱采空區(qū)側(cè)老頂巖層垮落，基本頂巖層斷裂后形成砌體梁結(jié)構(gòu)，塊體結(jié)構(gòu)受力分析見圖1。

圖1 工作面回采后塊體結(jié)構(gòu)受力圖

為了便于計(jì)算，對(duì)塊體結(jié)構(gòu)受力圖進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并利用多跨梁的理論分析其平衡關(guān)系，見圖2。

圖2 上區(qū)段工作面開采后結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)化圖

老頂破斷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成梁結(jié)構(gòu)見圖3，分別為懸臂梁和斜簡(jiǎn)支梁兩個(gè)結(jié)構(gòu)。

圖3 多跨梁分解為懸臂梁和簡(jiǎn)支梁圖

取懸臂梁，計(jì)算其反力。

q'單獨(dú)作用下懸臂梁產(chǎn)生的撓曲線方程可用下式計(jì)算:

P單獨(dú)作用下懸臂梁產(chǎn)生的撓曲線可用下式計(jì)算:

F單獨(dú)作用下懸臂梁產(chǎn)生的撓曲線可用下式計(jì)算:

Q單獨(dú)作用下懸臂梁產(chǎn)生的撓曲線可用下式計(jì)算:

懸臂梁的總撓度為各個(gè)載荷單獨(dú)產(chǎn)生的撓度的疊加，即:

利用以上的計(jì)算公式并結(jié)合幾何關(guān)系x1＜x2＜x3，可以計(jì)算出煤柱支撐力作用點(diǎn)B的撓度(x=x2)

1)若煤柱處于彈性階段，則得:

如果根據(jù)上式計(jì)算，得到F＞FS。

2)若煤柱處于塑性階段，則得

此時(shí)，煤柱發(fā)生變形破壞，順槽穩(wěn)定性差，要對(duì)順槽采取有效的補(bǔ)強(qiáng)手段。

2 數(shù)值模擬分析

通過數(shù)值模擬的手段來說明不同寬度順槽煤柱對(duì)順槽穩(wěn)定性的影響，本文選擇10 m和20 m進(jìn)行比較。

模型尺寸取為60 m×60 m，巷道尺寸為4 m×3.5 m。單元類型為4節(jié)點(diǎn)42型單元，施加載荷為20 MPa。

模型中巖層分布特征見表1，各材料力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 巖層分布特征

表2 材料的主要力學(xué)參數(shù)

以下對(duì)寬度為10 m、20 m模型的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬，剪應(yīng)力分布云圖、豎向應(yīng)力分布云圖、水平應(yīng)力分布云圖見圖4～圖9。

由圖4，圖5分析可知，最大的剪應(yīng)力值在順槽頂角和底角處，且沿著順槽中心線呈對(duì)稱分布。當(dāng)順槽煤柱寬度為10 m時(shí)，剪應(yīng)力值達(dá)到14.7 MPa;當(dāng)順槽煤柱寬度為20 m時(shí)，剪應(yīng)力值達(dá)到14.3 MPa。從圖4，圖5對(duì)比可以看出，隨著煤柱寬度的增大，最大剪應(yīng)力值減小，但是減小的幅度比較小。

由圖6，圖7分析可知，最大的垂直應(yīng)力在順槽兩幫中部表面，且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。當(dāng)順槽煤柱寬度為10 m時(shí)，順槽兩幫的最大拉應(yīng)力值為5.8 MPa;當(dāng)順槽煤柱寬度為20 m時(shí)，順槽兩幫的最大拉應(yīng)力值為5.6 MPa。從圖6，圖7可以看出，隨著煤柱寬度的增大，順槽兩幫的拉應(yīng)力值在減小。

由圖8，圖9分析可知，最大的垂直應(yīng)力在順槽頂?shù)装逯胁勘砻?，且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。當(dāng)順槽煤柱寬度為10 m時(shí)，順槽兩幫的最大拉應(yīng)力值為11.2 MPa;當(dāng)順槽煤柱寬度為20 m時(shí)，順槽兩幫的最大拉應(yīng)力值為11.3 MPa。從圖8，圖9可以看出，隨著煤柱寬度的增大，順槽兩幫的拉應(yīng)力值基本沒有變化。

根據(jù)以上分析可以看出，增大煤柱寬度可以對(duì)順槽兩幫進(jìn)行有效的維護(hù)。

3 結(jié)論

通過以上分析可知，不同順槽煤柱寬度條件下，工作面順槽圍巖的受力呈現(xiàn)不同的分布特征:

1)豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪應(yīng)力的分布情況非常相似，且最大應(yīng)力均出現(xiàn)在順槽頂?shù)装寮肮战翘?。結(jié)果表明，當(dāng)煤柱寬度增大時(shí)，順槽圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，因此，寬煤柱對(duì)順槽的穩(wěn)定起到非常重要的作用。

2)通過順槽所受豎向應(yīng)力分布情況分析可知，結(jié)果表明，當(dāng)煤柱寬度大到一定極限時(shí)，煤柱寬度的繼續(xù)增大對(duì)維護(hù)順槽穩(wěn)定的意義很小，因此，煤柱合理尺寸的確定就顯得尤為重要。

［1］ 董方庭.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1994，19(1):31 －32.

［2］ 范秋雁.論軟巖支護(hù)中的讓壓技術(shù)－兼談新奧法的讓壓理論［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，1993(2):5－8.

［3］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:93－95.

［4］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994:129－131.

［5］ 侯朝炯，郭勵(lì)生，勾攀峰.煤巷錨桿支護(hù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999:51－52

Study on Influence on Gateway Stability of Protection Coal Pillar Width

Wang Jie

The gateway is the necessary channel of safe and efficient production in the mine，it can be used to transport and ventilation，so the correct maintenance of the gateway is particularly important.The gateway is different from other permanent roadway，the two sides of gateway usually consist of the coal pillar and working face coal body，however the compressive strength of coal body is far less than the compressive strength of rock mass，this leads to the two sides of gateway easily happen fracturing damage，appear wall caving phenomenon，the maintenance is difficult.The destruction of gateway in the pillar side is more serious.This paper by using the mechanical theory analysis method studies the stability of the gateway，and with the numerical calculation studies the influence on the gateway stability of the different coal pillar width，it is concluded that the coal pillar width is greater，the stability of the gateway is more favorable，this also is the reason which the gateway destruction extent in the pillar side is more serious than the coal body side of the face.

Coal pillar of gateway;Width of coal pillar;Stability of gateway;Numerical simulation

TD322

A

1672－0652(2012)10－0023－03

2012－07－29

王 杰(1986—)，男，山西長治人，2010年畢業(yè)太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)與管理工作(E －mail)coal_man@163.com