长壁工作面顺槽煤柱合理留设尺寸的确定

郝瑞清

(山西省阳泉市国土资源局，山西 阳泉 045000)

长壁工作面顺槽煤柱合理留设尺寸的确定

郝瑞清

(山西省阳泉市国土资源局，山西 阳泉 045000)

顺槽煤柱的稳定性是决定回采巷道稳定的关键，是保证相邻两工作面顺利回采的隔离体。顺槽煤柱的尺寸留设是影响煤柱稳定的决定性因素。本文采用理论分析和数值模拟方法，分析长壁工作面顺槽煤柱合理留设宽度，以保证煤柱的稳定性。研究结果表明:间隔煤柱在工作面回采之前，承受上覆岩层均布载荷，能够保持自稳状态;工作面回采后，间隔煤柱受到开采的扰动和关键块体回转的影响，形成侧向支承压力，使煤柱边缘出现应力集中现象，依次出现压裂松动区、塑性破坏区、弹性核区。煤柱稳定的基本条件是其内部存有一定宽度的弹性核，同时也是煤柱合理留设的判定依据。

长壁工作面;顺槽煤柱;煤柱宽度;数值计算

我国的煤炭生产大多为井工开采，地下开采工程活动破坏了原岩应力平衡状态，围岩应力重新分布［1－3］。随着工作面的推进，巷道围岩应力重新分布，往往使得巷道遭到严重破坏，为了维持巷道稳定，大多采用留设顺槽煤柱的方法。随着开采深度的不断增加，留设的间隔煤柱承受上覆岩层的载荷也在随之增加，为了维护煤柱稳定性，煤柱的留设宽度越来越大，用此方法来维护巷道对煤炭资源造成极大的浪费，一般占全矿井煤炭损失总量的40%左右［4］，特别是长壁开采。虽然长壁开采技术不断提高，但采出率仍只有60%左右，甚至更低，煤柱留设宽度大是造成煤炭的资源巨大损失的原因。因此，在保证煤柱稳定的情况下，留设合理煤柱宽度来提高资源回收率具有极其重要的意义。

1 顺槽支承压力分布特征

当间隔煤柱两侧煤体均采出后，间隔煤柱上的支承压力分布情况由回采扰动造成煤柱侧向支承压力的影响距离L与煤柱宽度B所决定，分别对以下情况进行分析:

1)当B＞2L时，煤柱中部载荷分布均匀，且其值为天然应力γH。顺槽煤柱受上覆岩层载荷的作用，出现明显的应力集中现象，应力峰值达到了KγH(其中K为应力集中系数且大于1)，从顺槽煤柱边缘依次为压裂松散区、塑性破坏区、弹性区、原岩应力区。分布情况见图1。

图1 两侧采空后煤柱支承压力分布情况

2)当2L＞B＞L时，间隔煤柱中央出现应力叠加现象，应力大于γH，应力峰值达到了KγH(其中K为应力集中系数且大于1)，沿煤柱的应力分布形式为“马鞍形”，弹塑性区及应力分布情况见图2。

由图1，图2可知，从煤柱外部边缘到内部，依次会出现破裂区Ⅰ、塑性区Ⅱ及弹性区Ⅲ，此时的弹性区为原岩应力区，煤柱能够保持稳定。

图2 两侧采空后煤柱支承压力分布情况

2 数值计算模型

根据长平煤矿4203工作面顺槽的实际情况，并依据大型数值计算的建模原则，建立的模型模拟范围的长、宽、高分别为180 m、300 m和140 m，共划分112 500个单元和566 711个节点，并且网格划分为1 m一个网格，以便于观测所留煤柱的塑性区及垂直应力状况等(见图3)。

图3 模型三维立体图

对模型侧面施加水平约束，底板施加水平和垂直两个方向的约束。并使他们在位移上不发生变化，在模型顶部施加载荷P=12.5 MPa。岩层厚度及力学参数如表1所示。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

按15 m、20 m、30 m、40 m宽度煤柱进行模拟，考察不同宽度煤柱的塑性区分布、垂直应力分布，根据结果确定煤柱的合理宽度［5，6］。

3 结果分析

通过对上述宽度煤柱进行模拟计算，分别分析各个尺寸煤柱的塑性区分布图、最大主应力图。见图4、图5。

3.1 塑性区分布特征

1)由图4清楚地显示，煤柱尺寸较小时，比如15 m和20 m，15 m煤柱的弹性核宽度为0 m，20 m弹性核宽度约为4 m，塑性区相互贯通，弹性核宽度很小，甚至完全消失。由此可知，煤柱基本垮塌，完全处于失稳状态。

2)当煤柱达到30 m时，比起20 m煤柱的弹性核区的范围增大很多，大小约为16 m，满足弹性核的宽度应不小于煤柱高度的2倍的条件，因此，与20 m煤柱相比30 m煤柱能够更好地保持稳定状态。

3)当煤柱宽度为40 m时，塑性区宽度基本保持不变，弹性核宽度在不断增加，但是增加的幅度在有所下降。

3.2 最大主应力分布特征

1)从图5中可以看出，受到二次采动影响后，15 m和20 m煤柱中心应力集中程度非常大，煤柱处于塑性状态，处于完全失稳状态。

2)从30 m煤柱垂直应力分布图中观察到，与20 m煤柱相比，虽然煤柱尺寸增加了，但煤柱内垂直应力集中的程度并没有减小，并且逐渐出现了两个应力集中区，可是弹性核区的宽度增加了许多，故煤柱更能够处于稳定状态。

3)当煤柱尺寸为40 m时，煤柱明显出现的两个垂直应力集中区，与此同时，煤柱内也出现较大宽度的弹性核区，弹性核区内垂直应力基本处于原岩应力状态，故煤柱处于稳定状态。

为了从整体上分析煤柱稳定性与所留设尺寸的关系，根据模拟结果做拟合曲线见图6。

a)煤柱的核区率随着煤柱尺寸的增加而增加。煤柱的塑性区率随着煤柱尺寸的增加而减少。

b)煤柱尺寸大于30 m时，核区率逐渐达到50%并继续增长，但是随着煤柱宽度的继续增大，核区率增大速率减慢。

c)当煤柱宽度为20～30 m时，曲线的斜率变得陡峭，说明此时塑性区的变化大。而在30～40 m时，两个曲线斜率变得平缓，这是由于塑性区变化不大的原因。故确定护巷煤柱的尺寸为30 m。

图6 煤柱尺寸与核区率、塑性区率的关系

4 结论

本文通过利用大型数值计算软件分析长壁工作面顺槽煤柱塑性区分布和最大主应力，探讨了煤柱合理留设宽度，得到以下结论:

1)通过运用数值模拟分析方法，分别对4203工作面顺煤柱20 m、30 m、40 m的情况进行综合研究，确定出合理区段煤柱尺寸留设范围为30 m。

2)通过理论分析研究，得到长壁工作面顺槽煤柱侧向支承压力的分布规律，并对现有煤柱稳定性进行判定，同时根据现场调研结果，为数值模拟提供可靠的技术参数。

3)通过对不同尺寸条件下的煤柱进行模拟，分别从塑性区分布、最大主应力分布、塑性区率和核区率进行分析，从而确定出煤柱尺寸留设的宽度，使煤柱尺寸留设更具合理性。

［1］ 李效甫.煤柱宽度对回采巷道围岩稳定性的影响［J］.煤炭科学技术，1982，11(1):8－10.

［2］ 陈龙.留小煤柱沿空掘巷支护技术研究［D］.邯郸:河北工程大学，2010.

［3］ 胡炳南.条带开采中煤柱稳定性分析［J］.煤炭学报，1995，20(2):205－210.

［4］ 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994:5.

［5］ Mark C.Comparison of Ground Conditions and Ground Control Practices in the United States and Australia［C］.Proceedings of the 17th International Conference on Ground Control in Mining，Morgantown，West Virginia，1998.

［6］ Gerrard，C.Rock bolting in theory［C］.Proceedings of the International Symposium on Rock Bolting，1984:3 －32.

The Determination of Reasonable Dimension of Coal Pillar of Gateway in Long－wall Mining Face

Hao Rui－qing

The stability of gateway coal pillar is the key to determine extraction roadway stability，is isolation body to guarantee smooth extraction in adjacent two mining faces.The size of the gateway coal pillar is the decisive factor of influence coal pillar stability.Based on the theoretical analysis and numerical simulation method，this paper analyzes the reasonable width of the gateway coal pillar in long－wall mining face，in order to ensure the stability of coal pillar.The study results show that before mining interval coal pillar in the face，bear on uniform load of the overlying strata，can maintain the steady state.After mining in the face，the interval coal pillar is affected by mining disturbance and key blocks rotary，forms the lateral abutment pressure，makes the pillar edge appear stress concentration phenomenon，appeared in order fracturing loose area，the plastic damage area and elastic nuclear area.The basic condition of coal pillar stability is its internal has a certain width elastic nuclear，at the same time is also criterion of setting up reasonable coal pillar.

Long－wall mining face;Coal pillar of gateway;Width of coal pillar;Numerical simulation

TD823.4

A

1672－0652(2012)10－0020－03

2012－07－28

郝瑞清(1972—)，男，山西盂县人，1996年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事煤矿管理工作(E －mail)shaoqingniu@qq.com