石建軍，王金國

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.禾草溝煤礦，陜西延安 717306)

0 前言

煤柱的寬度是影響煤柱定性和回采巷道穩(wěn)定性的重要因素。當(dāng)護巷煤柱一側(cè)為回采空間，一側(cè)為回采巷道時，回采空間和回采巷道在護巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性區(qū)。煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是:煤柱兩側(cè)塑性區(qū)發(fā)生變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤柱高度的2倍。

護巷煤柱尺寸大小決定巷道是否承受側(cè)向支承壓力及其大小。由于側(cè)向支承壓力會引起巷道強烈變形，所以護巷煤柱尺寸是影響受采動影響回采巷道頂板圍巖穩(wěn)定性的一個重要因素。［1－2］

1 開采技術(shù)條件

禾草溝井田整合區(qū)位于陜西省延安市子長縣城西南18 km(直距)處。主要可采煤層為5號煤層，煤層平均厚度2.19 m分布于區(qū)內(nèi)東部大范圍。5號煤層直接頂板在區(qū)內(nèi)主要為油頁巖，局部為粉砂巖。巖石飽和抗壓強度一般為3.04～54.34 MPa，平均 19.09 MPa，軟化系數(shù) 0.15～0.76，屬軟巖～較堅硬巖石，但其中油頁巖易崩解為不堅固巖石(Ⅰ)。5號煤層底板以泥質(zhì)粉砂巖和泥巖為主，個別底板為細粒砂巖和中粒砂巖，巖石飽和抗壓強度一般為5.74～38.18 MPa，平均18.12 MPa，軟化系數(shù)0.16～0.72，屬軟巖 ～較堅硬巖石。煤層頂板柱狀圖如圖1。

圖1 煤層頂板柱狀圖

2 模型建立

由于礦壓顯現(xiàn)比較明顯，在開采初期護巷煤柱設(shè)計為大煤柱，留設(shè)的煤柱尺寸為56 m，為了提高資源回收率，現(xiàn)在臨近一個面的采空區(qū)布置一條巷道，盡可能回收煤柱。數(shù)值模擬研究主要研究沿空掘巷小煤柱尺寸，模型長280 m，寬200 m，高80 m，共37620單元塊，41412個節(jié)點，數(shù)值模擬模型如圖2、3所示。模擬共設(shè)計五種方案，如圖4所示，煤柱尺寸為6 m、8 m、10 m、12 m和14 m，模擬在二次采動條件下的煤柱塑性區(qū)范圍、支承壓力變化規(guī)律和巷道圍巖位移規(guī)律。

圖2 數(shù)值模擬計算模型

圖3 數(shù)值模擬剖面模型

3 礦壓規(guī)律模擬

下面僅給出10 m煤柱模擬過程［3－9］。

3.1 塑性破壞區(qū)范圍

當(dāng)煤柱10 m時，塑性區(qū)破壞范圍如圖5。

3.1.1 工作面位置

沿空巷道塑性區(qū)破壞范圍和臨近采空區(qū)引起的塑性區(qū)之間有5 m的彈性區(qū)，沿空巷道煤柱幫塑性區(qū)范圍2 m，煤壁幫塑性區(qū)破壞范圍2 m，底板塑性區(qū)范圍2 m，頂板塑性區(qū)破壞范圍3 m。

順槽煤壁幫塑性區(qū)破壞范圍肩部3 m，巷道底角2 m;煤柱幫肩部出現(xiàn)塑性區(qū)，其他位置未出現(xiàn)塑性區(qū);巷道底部底角位置塑性區(qū)范圍2 m，底角和煤壁幫在模擬時出現(xiàn)塑性破壞，底部中央位置塑性區(qū)破壞范圍3 m，模擬結(jié)束是已經(jīng)穩(wěn)定，巷道頂板塑性區(qū)破壞范圍3 m。

圖4 數(shù)值模擬方案

圖5 沿空煤柱尺寸為10 m巷道圍巖破壞圖

3.1.2 工作面前方10 m

沿空巷道塑性區(qū)破壞范圍和臨近采空區(qū)引起的塑性區(qū)之間有5 m的彈性區(qū)，靠近采空區(qū)煤幫上部和下部塑性破壞區(qū)范圍3 m，煤柱中部塑性區(qū)范圍2 m，沿空巷道煤柱幫塑性區(qū)范圍2 m，煤壁幫塑性區(qū)破壞范圍2 m，底板塑性區(qū)范圍2 m，頂板塑性區(qū)破壞范圍3 m。

順槽煤壁幫塑性區(qū)破壞范圍肩部3 m，巷道中部和底角塑性區(qū)范圍2 m;煤柱幫未出現(xiàn)塑性區(qū);巷道底部底角位置塑性區(qū)范圍2 m，底部中央位置塑性區(qū)破壞范圍3 m，模擬結(jié)束是已經(jīng)穩(wěn)定，巷道頂板塑性區(qū)破壞范圍3 m。

3.2 應(yīng)力分布

10 m煤柱應(yīng)力分布如圖6。

煤柱壓力最大位置出現(xiàn)在煤柱8 m處，最大值為54.3 MPa，沿空巷道煤壁幫側(cè)3 m有最大應(yīng)力為45 MPa。順槽最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤壁幫8 m，最大為50 Mpa，煤柱側(cè)最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤柱幫2 m，最大為45 MPa。

3.3 位移情況

10 m煤柱位移分布如圖7。

沿空巷道頂板3m范圍內(nèi)發(fā)生8mm，底板1 m范圍內(nèi)發(fā)生5 mm的位移，兩幫1 m范圍內(nèi)也存在11 mm的位移;順槽頂板3 m范圍內(nèi)發(fā)生7 mm的位移，底板1 m范圍內(nèi)也發(fā)生3～4 mm的位移，兩幫1 m范圍內(nèi)發(fā)生8 mm的位移。

圖6 沿空煤柱尺寸為10 m時煤柱中應(yīng)力分布圖

圖7 沿空煤柱尺寸為10 m時沿空巷道圍巖位移圖

4 結(jié)論

采對巷道的影響得出以下結(jié)論:

1)塑性區(qū)破壞范圍

根據(jù)數(shù)值模擬研究5種煤柱尺寸由于煤層開

表1 塑性區(qū)破壞范圍

2)應(yīng)力分布

表2 最大主應(yīng)力

3)頂板位移

表3 頂板位移值

回采巷道的穩(wěn)定性與護巷煤柱尺寸有很大的關(guān)系，煤柱尺寸的合理確定是巷道支護設(shè)計的重要部分。合理的煤柱尺寸不僅可以減小巷道的變形，減小巷道維護工程量，而且還可以減少煤炭資源損失。文中綜合考慮塑性區(qū)破壞范圍、最大主應(yīng)力、頂板位移值和資源回收等因素，可知當(dāng)煤柱為10 m時符合要求。

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