張敏

【摘 要】 針對3501工作面回采巷道保護煤柱合理寬度優(yōu)化的問題，本文采用了理論計算、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，對巷道圍巖支承壓力以及煤柱內(nèi)部彈塑性區(qū)寬度變化規(guī)律進行了研究，得出了工作面合理煤柱寬度為16m。根據(jù)現(xiàn)場對3501工作面輔運巷圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測，工作面推過80m后，巷道頂板移近量穩(wěn)定在110mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在57mm左右，充分證明了16m保護煤柱留設的科學性、合理性，不但保證了礦井安全生產(chǎn)而且提高了煤炭資源的回收率。

【關鍵詞】 回采巷道;煤柱寬度;圍巖移近量;支承壓力

【中圖分類號】 TD822+.3 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）06-0007-03

隨著礦井開采規(guī)模的擴大，一部分礦井采用了雙巷掘進的方式來提高掘進效率，雙巷間通過留設煤柱來保護巷道圍巖穩(wěn)定性。隨著巷道的掘進和工作面的回采，保護煤柱應力狀態(tài)將發(fā)生改變，尤其在工作面采動的影響下，如果煤柱尺寸留設不合理，回采巷道圍巖穩(wěn)定性難以保證，礦井安全生產(chǎn)將受到影響。張廣超等以羊場灣煤礦為工程背景，通過建立綜放工作面頂板斷裂結構模型，利用數(shù)值模擬分析不同煤柱寬度下巷道圍巖應力及位移特征，最終確定高強度開采綜放工作面合理的區(qū)段煤柱尺寸。余學義等以亭南礦雙巷掘進煤柱留設為背景，通過應力監(jiān)測、數(shù)值模擬相結合的方法研究了不同煤柱寬度下巷道圍巖應力分布規(guī)律，最終確定了合理的煤柱為10m。王慧林以禾草溝煤礦巷道圍巖控制為背景，通過監(jiān)測現(xiàn)場錨桿（索）應力狀態(tài)及圍巖移近量，最終確定了合理的煤柱尺寸為14m。如果煤柱尺寸留設過寬，雖然能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定性，但是會造成煤炭資源的極大浪費;如果煤柱尺寸留設過窄，回采過程中可能出現(xiàn)煤柱失穩(wěn)破壞，影響礦井安全生產(chǎn)。因此選擇合理的保護煤柱尺寸至關重要。

1 工程概況

某礦3501工作面位于該礦3#煤層5盤區(qū)，其中3#煤層埋深120m，平均厚度2.6m，賦存穩(wěn)定，煤層傾角5°，屬近水平煤層。煤層頂?shù)装辶W特性如表1所示。3501工作面設計采高為2.6m，傾向長度為242.5m，推進長度為1253m。采用三巷布置，分別為主運巷、輔運巷和回風巷，其中主運巷和輔運巷進風，回風巷回風，工作面位置關系如圖1所示。主運巷和輔運巷之間保護煤柱原始留設25m。

2 煤柱合理寬度的計算

回采巷道保護煤柱在受到工作面回采影響后，會發(fā)生塑性破壞，其中一側(cè)主要來自于工作面回采側(cè)向應力的影響，另外一側(cè)會受到巷道掘進后應力的影響，煤兩幫一定范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性破壞，中部則處于彈性應力狀態(tài)。根據(jù)塑性區(qū)理論，要使煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)，必須保證彈性核寬度為煤層采高的2倍，所以3501工作面回采巷道保護煤柱寬度為：

結合3501工作面現(xiàn)場實際情況可知，煤層厚度M=2.6m，3#煤黏聚力0.5MPa，回采工作面一側(cè)煤柱體內(nèi)摩擦角[φ]=40°，覆巖平均容重[γ]=25kN/m3;平均煤層埋深H=120m，輔運巷一側(cè)煤柱體內(nèi)摩擦角[α]=30°，因此煤柱寬度為B=5.3+2×2.6+5.1=15.6m。

3 煤柱合理寬度的數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

為了進一步確定煤柱合理寬度，特對3501工作面開展了數(shù)值模擬研究，根據(jù)3501工作面實際情況分別針對20m、18m、16m、14m、12m的煤柱進行了 FLAC數(shù)值模擬，相關煤巖物理力學參數(shù)見表2所示。計算模型兩側(cè)施加位移和應力約束，將其位移限制在水平方向，模擬工作面推進過程中不同寬度煤柱的受力分布及塑性區(qū)寬度，對數(shù)據(jù)進行分析確定合理的煤柱寬度。

3.2 模擬結果分析

圖2為不同尺寸下，回采巷道兩幫支承壓力分布特征。由圖可知，隨煤柱尺寸的變化，實體煤側(cè)支承壓力變化不大。在煤柱側(cè)，當煤柱尺寸為12m時，煤柱承受的最大支承壓力為8MPa;當煤柱尺寸為16m時，煤柱承受的最大支承壓力為12.2MPa;當煤柱尺寸為20m時，煤柱承受的最大支承壓力為10.6MPa;在煤柱尺寸小于16m時，隨煤柱尺寸的增加，煤柱承受的支承壓力也在逐漸增加，當煤柱尺寸大于16m時，隨煤柱尺寸的增加，煤柱承受的支承壓力出現(xiàn)了下降，說明16m為煤柱的極限寬度。

圖3為不同煤柱尺寸下煤柱內(nèi)部彈塑性分布特征。當煤柱寬度為20m、18m、16m、14m、12m時，煤柱彈性區(qū)寬度分別為6m、9m、12.5m、15m、18m，煤柱塑性區(qū)寬度分別為6m、5.5m、5m、4.8m、4.7m。由圖可以看出，當煤柱寬度小于16m時，隨煤柱尺寸的增加，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)寬度明顯減小;當煤柱寬度大于16m時，繼續(xù)增加煤柱寬度對于塑性區(qū)寬度影響較小，僅僅增大了彈性區(qū)的寬度，有利于保證煤柱穩(wěn)定性，但是造成了煤炭資源的浪費。

結合理論分析及數(shù)值模擬結果，在保證煤柱穩(wěn)定的前提下，進一步提高資源回收率，3501工作面保護煤柱尺寸選定為16m。

4 工程應用

為了驗證保護煤柱留設的合理性，特對3501工作面回采期間輔運巷圍巖移近量進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖4所示。由圖4可知，在工作面回采過程中，監(jiān)測點圍巖移近量隨距工作面距離的不斷縮小而逐漸增加，在滯后工作面80m左右，巷道圍巖移近量趨于穩(wěn)定，頂板下沉量穩(wěn)定在110mm左右，兩幫變形量穩(wěn)定在57mm左右，現(xiàn)場巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，僅在局部存在小范圍的片幫情況，巷道整體圍巖移近量控制在合理的范圍內(nèi)，充分證明3501工作面保護煤柱為16m時，可以保證回采過程中巷道圍巖的穩(wěn)定性。

5 結論

結合現(xiàn)場實際情況，通過理論計算得到3501工作面合理的煤柱寬度為15.6m。

通過FLAC數(shù)值模擬研究，分析了不同煤柱寬度下巷道支承壓力以及煤柱內(nèi)部彈塑性區(qū)寬度變化，得到煤柱的極限寬度為16m，繼續(xù)增加煤柱寬度對于塑性區(qū)寬度影響較小，僅僅增大了彈性區(qū)的寬度，有利于保證煤柱穩(wěn)定性，但是造成了煤炭資源的浪費，16m為最佳煤柱寬度。

通過現(xiàn)場對16m隔離煤柱巷道圍巖移近量監(jiān)測，得出在滯后工作面80m左右，巷道圍巖移近量趨于穩(wěn)定，頂板下沉量穩(wěn)定在110mm左右，兩幫變形量穩(wěn)定在57mm左右，巷道整體圍巖移控制在合理的范圍內(nèi)。

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