徐佑林，桂祥友，張 輝，4，鄭 偉

（1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京 100013;2.畢節(jié)地區(qū)工業(yè)和能源委員會，貴州畢節(jié) 551700; 3.畢節(jié)學院采礦工程系，貴州畢節(jié)551700;4.中國礦業(yè)大學資源與安全工程學院，北京 100083;5.貴州大學礦業(yè)學院，貴州貴陽 550003）

不同寬度煤柱下沿空掘巷數(shù)值模擬研究及應(yīng)用

徐佑林1，桂祥友2，3，張 輝1，4，鄭 偉5

（1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京 100013;2.畢節(jié)地區(qū)工業(yè)和能源委員會，貴州畢節(jié) 551700; 3.畢節(jié)學院采礦工程系，貴州畢節(jié)551700;4.中國礦業(yè)大學資源與安全工程學院，北京 100083;5.貴州大學礦業(yè)學院，貴州貴陽 550003）

以山西潞寧煤礦工程地質(zhì)條件為背景，對工作面回采后煤柱受力情況進行了理論分析。采用FLAC3D有限差分程序計算研究了不同寬度煤柱在煤巖體中的應(yīng)力分布、位移場變化、塑性破壞及錨桿受力情況。模擬結(jié)果表明:不同寬度煤柱內(nèi)部煤巖體應(yīng)力集中系數(shù)、位移場、塑性區(qū)破壞以及錨桿受力情況都不相同。工作面回采后，靠近采空區(qū)一側(cè)的3～8m范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)嚴重，不宜布置巷道;當煤柱寬度超過10m時，變化就不再明顯。研究成果為沿空掘巷巷道位置和支護方式的選擇提供了參考依據(jù)。

應(yīng)力集中;數(shù)值模擬;煤柱;沿空掘巷

留設(shè)煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護巷方法，工作面之間留設(shè)護巷煤柱的主要目的是防止工作面漏風，阻擋采空區(qū)積水和維護巷道的穩(wěn)定。隨著開采深度的增加，留設(shè)的煤柱寬度越來越大，由此造成煤炭資源損失進一步加大，因此，沿空掘巷技術(shù)研究工作就顯得極為重要。在工作面回采后，所留護巷煤柱內(nèi)部將會出現(xiàn)應(yīng)力集中、位移場變化和塑性破壞等現(xiàn)象。據(jù)已有的研究成果表明:煤柱發(fā)生以上對巷道起破壞作用的力學行為主要受煤柱尺寸、煤柱性質(zhì)和圍巖性質(zhì)的影響［1］。

基于對不同寬度煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)的分析，根據(jù)礦井條件建立數(shù)值模型，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究在不同寬度護巷煤柱下，沿空掘巷時工作面回采后煤柱在煤巖體中的應(yīng)力場，位移場、塑性破壞區(qū)以及錨桿受力情況，對巷道布置和支護設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 護巷煤柱分析

1.1 煤柱的載荷

目前國內(nèi)外的學者都認為，護巷煤柱上所受的載荷是由煤柱上覆巖層重量以及煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量引起的［2］。單位長度煤柱上的總載荷P為:

式中，B為煤柱寬度，m;D為采空區(qū)寬度，m;H為巷道埋深，m;δ為采空區(qū)上覆巖層的垮落角;γ為上覆巖層平均體積力，kN/m3。

1.2 護巷煤柱寬度的理論計算

確定護巷煤柱寬度的理論計算方法很多，如按照煤柱的允許應(yīng)力，煤柱能承受的極限荷載以及煤柱應(yīng)力分布等。盡管方法很多，但是各種方法的基本觀點卻是統(tǒng)一的，都是以煤柱的寬度必須保證煤柱的極限載荷不超過其極限強度R。煤柱寬度的計算公式為:

2 工程概況

山西潞寧煤礦22109工作面西側(cè)為3條下山大巷，分別為礦井軌道下山、膠帶下山、總回風下山巷。22109工作面埋深約260m，22109回風巷、運輸巷沿2號煤底板掘進，巷道斷面為矩形，回風巷寬3.8m，高3.6m，運輸巷寬4.5m，高3.4m，兩條巷道長度均大約1300m。22109工作面回風巷與22107工作面采空區(qū)相鄰，22107工作面于2008年4月回采完畢;22109工作面運輸巷與22111工作面采空區(qū)相鄰，22111工作面于2010年8月回采完畢，22109回風巷、運輸巷掘進過程中將受到相鄰未穩(wěn)定采空區(qū)動壓影響。22109工作面回風巷、運輸巷位置見圖1。2號煤平均煤層厚度變化不大，從4.5～5.8m，平均厚度4.9m;煤層傾角12～14°，平均為13°;煤層堅固性系數(shù)為3.5。

圖1 22109工作面回風巷、運輸巷位置

3 力學模型及計算參數(shù)

3.1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬主要研究在留設(shè)煤柱寬度分別為5m、10m、15m情況下，2號煤22111工作面回采后煤柱的應(yīng)力分布狀態(tài)、水平和垂直位移場的變化、塑性破壞區(qū)分布及錨桿受力情況。數(shù)值模型見圖2。數(shù)值計算采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型，煤巖體物理力學參數(shù)見表1。

數(shù)值模型的邊界條件為:四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。根據(jù)2004年潞寧煤礦2號煤頂板巖層的水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果，最大水平主應(yīng)力為14MPa，方向為N3.9°W;最小水平主應(yīng)力為8.74MPa;根據(jù)埋深，計算出垂直主應(yīng)力為9.45MPa。

圖2 模型網(wǎng)格

表1 煤巖體物理力學參數(shù)

22109運輸巷支護參數(shù)為:

（1）頂板支護 錨桿桿體為φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為335號，長度2400mm，桿尾螺紋為M24。樹脂加長錨固，錨桿間距1000mm，排距1000mm，全部垂直頂板布置。

錨索材料為φ18.9mm，1×7股高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線，長度6300mm，延伸率4%，錨固長度1900mm。錨索間距2000mm，排距2000mm，全部垂直頂板布置。

（2）巷幫支護 錨桿桿體為φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為335號，長度2400mm，桿尾螺紋為M24。樹脂加長錨固，錨桿間距900mm，排距1000mm，全部垂直煤墻布置。

3.2 不同寬度煤柱模擬結(jié)果分析［3－5］

3.2.1 應(yīng)力分析

22111工作面回采后，22109運輸沿空掘巷，圖3～圖6為煤柱寬度分別為5m，10m，15m條件下錨桿支護下巷道圍巖應(yīng)力及變形特征模擬分析。

從圖3～圖6中可以看出:

（1）22111工作面回采后，22111回風巷外側(cè)煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為垂直應(yīng)力場，最大值達到23MPa，應(yīng)力集中區(qū)域在煤壁內(nèi)3～8m的范圍內(nèi) （如圖3a所示）。因此，在沿空掘巷時必須避開該應(yīng)力集中區(qū)才有利于巷道的維護。

圖3 20111工作面回采后煤巖體應(yīng)力分布特征

圖4 留設(shè)5m煤柱時20111工作面回采后煤柱應(yīng)力分布特征

圖5 留設(shè)10m煤柱時20111工作面回采后煤柱應(yīng)力分布特征

圖6 留設(shè)15m煤柱時20111工作面回采后煤柱應(yīng)力分布特征

（2）在煤柱寬度5m位置布置22109運輸巷，巷道斷面為4.5m×3.4m，該位置正好處于22111工作面回采后的應(yīng)力集中區(qū)。22109運輸巷掘進后應(yīng)力集中區(qū)域向煤體轉(zhuǎn)移并出現(xiàn)應(yīng)力疊加現(xiàn)象，最大垂直應(yīng)力26MPa。應(yīng)力降低區(qū)超出錨桿支護的范圍，說明在錨固區(qū)巷道圍巖受到破壞，錨桿支護不能滿足巷道支護的要求。

（3）隨著22109運輸巷與采空區(qū)間煤柱寬度的增大，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力疊加程度逐漸降低，最大垂直應(yīng)力分別為 27.4MPa，24.4MPa，23.9MPa，23.4MPa，最 大水 平 應(yīng) 力 分 別 為12.8MPa，11.87MPa，11.77MPa，11.46MPa。因此，在煤柱寬度增大到一定值后，集中應(yīng)力最大值基本不變。

3.2.2 位移場分析

圖7～圖10分別為20111工作面回采后，22109運輸巷沿空掘巷與20111工作面采空區(qū)間煤柱寬度分別為5m，10m，15m時的巷道圍巖垂直位移場和水平位移場分布特征。

圖7 20111工作面回采后煤巖體位移分布特征

圖8 留設(shè)5m煤柱時20111工作面回采后煤柱位移分布特征

圖9 留設(shè)10m煤柱時20111工作面回采后煤柱位移分布特征

從圖7－圖10中可以看出:

（1）22111工作面回采后，22111回風巷外側(cè)煤壁下沉量大于100mm的區(qū)域主要集中在煤壁上部水平距離2～4m的范圍內(nèi)。同樣，煤壁出現(xiàn)較大范圍內(nèi)水平位移，表現(xiàn)為大面積的片幫。

（2）當煤柱寬度為5m時，22109運輸巷由于正好處于22111工作面回采后的應(yīng)力集中區(qū)。開掘巷道后垂直位移場等值線向煤柱偏移，頂板下沉量超過50mm的區(qū)域覆蓋了整個錨固區(qū)，頂板最大下沉量達到56.6mm，水平位移變化主要表現(xiàn)在煤柱幫，位移量達到50.2mm，而另一側(cè)幫位移量在30mm左右。

（3）隨著22109運輸巷與采空區(qū)之間煤柱寬度的增大，垂直位移和水平位移受采空區(qū)的影響逐漸減小。當煤柱寬度分別為10m和15m時，巷道頂板最大下沉量分別為44.1mm和33.3mm;煤柱幫最大水平位移量分別為22.5mm，14.0mm，另一幫分別為15.4mm，13.2mm。表明煤柱寬度大于10m時頂板和兩幫位移量顯著減小，采空區(qū)對巷道影響明顯減弱。

圖10 留設(shè)15m煤柱時20111工作面回采后煤柱位移分布特征

3.2.3 塑性破壞及錨桿受力特征分析

圖11為20111工作面回采后，22109運輸巷沿空掘巷在煤柱寬度分別為5m，10m，15m時巷道圍巖的塑性破壞區(qū)分布及錨桿錨索受力特征。

從圖中可以看出:22111工作面回采后，煤壁水平破壞范圍約3～5m。當煤柱寬度為5m時，煤柱全部處于塑性破壞狀態(tài)。隨著煤柱寬度的增大，采空區(qū)對運輸巷的影響逐漸減小，當煤柱寬度大于10m時采空區(qū)對運輸巷的塑性破壞幾乎不產(chǎn)生影響。錨桿錨索最大受力分別為27.9kN，21.15kN，20.1kN，從錨桿錨索受力上來看，煤柱寬度大于10m時錨桿錨索最大受力變化較小。

圖11 塑性破壞區(qū)分布及錨桿受力分析

4 結(jié)論

（1）以潞寧煤礦工程地質(zhì)條件為背景，采用數(shù)值模擬的方法，計算分析了不同寬度煤柱內(nèi)部煤巖體中的應(yīng)力場、位移場、塑性破壞區(qū)分布特征及錨桿受力變化特征。

（2）工作面回采后，22111回風巷外側(cè)煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為垂直應(yīng)力場，最大值達到23MPa，應(yīng)力集中區(qū)域在煤壁內(nèi)3～8m范圍，煤壁水平破壞范圍約3～5m。因此，在沿空掘巷時必須避開該應(yīng)力集中區(qū)和煤壁破壞區(qū)才能有利于巷道的維護。在煤柱寬度5m時布置22109運輸巷，5m寬的煤柱全部處于塑性破壞狀態(tài)。隨著煤柱寬度的增大，采空區(qū)對運輸巷的影響逐漸減小，當煤柱寬度大于10m時采空區(qū)對運輸巷的塑性破壞幾乎不產(chǎn)生影響，因此，從節(jié)約資源，提高煤礦效益出發(fā)，22109運輸巷預留10m煤柱在目前支護條件下完全可以達到巷道服務(wù)的要求。

［1］陸士良.無煤柱護巷的礦壓顯現(xiàn)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.

［2］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2004.

［3］康紅普.回采巷道錨桿支護影響因素的FLAC分析［J］.巖石力學與工程學報，1999，18（5）:534－537.

［4］王永秀，齊慶新，陳 兵，等.煤柱應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值模擬分析.煤炭科學技術(shù)，2004，32（10）:59－62.

［5］張 輝.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道位置優(yōu)化與控制［J］.河南理工大學學報，2010（2）.

Numerical Simulation of Driving Roadway along Gob with Different Wide Coal-pillars and Its Application

XU You-lin1，GUIXiang-you2，3，ZHANG Hui1，4，ZHENGWei5

（1.Coal Mining＆Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Industry＆Energy Committee of Bijie District，Bijie 551700，China;3.Mining Department，Bijie College，Bijie 551700，China; 4.Resources＆Safety School，China University of Mining＆Technology，Beijing 100083，China;5.Mining School，Guizhou University，Guiyang 550003，China）

Taking the geological condition of Luning Colliery as example，this paper analyzed stress state of coal pillar aftermining by theoreticalmethod Applying FLAC3D，It researched stress distribution，displacement，plastic damage and stress state of anchored bolts under the condition of differentwide coal pillars Results showed thatstress concentration coefficient，displacement field，plastic damage zone and stress state of anchored boltwere varied with differentwide coal pillars Aftermining，underground pressure behaviorwas serious at the range of3-8m along gob，so itwas unfit for roadway location When the pillarwidth was over10m，the variation was not clear This provided reference for selecting roadway location and supportingmanner.

stress concentration;numerical simulation;coal pillar;driving roadway along gob

TD822.3

A

1006-6225（2011）05-0047-05

2011－05－24

“十一五”國家科技支撐計劃課題 （2008BAB36B07）

徐佑林 （1983－），男，貴州貴陽人，博士研究生，研究方向為礦山壓力與巷道支護。

［責任編輯:姜鵬飛］