护巷煤柱宽度合理性模拟分析及工程应用

耿增达

（山西煤炭运销集团长治有限公司,山西 长治 047100）

护巷煤柱宽度合理性模拟分析及工程应用

耿增达

（山西煤炭运销集团长治有限公司,山西 长治 047100）

护巷煤柱留设宽度的大小直接关系到巷道受邻近工作面采动破坏程度，本文首先对山西煤炭运销集团长治有限公司吉安煤业工作面地质及煤层赋存情况进行了阐述，然后运用FLAC3D数值模拟分析软件并结合现场巷道变形的实测数据分析出不同护巷煤柱宽度下支承压力分布规律，得出合理的护巷宽度，以达到最大限度降低巷道维护费用和最大限度地回收煤炭资源的目的。

护巷煤柱宽度；采动破坏；FLAC3D；支承压力分布规律

1 工程概况

3号煤层顶、底板的工程地质特征：吉安煤业3102工作面现开采煤层为3号煤，位于山西组下部，上距K8砂岩28.37-39.60m，平均33.47m。下距K7砂岩3.83-20.03m，平均13.05m，下距8-2号煤层50.98-58.52m，平均54.39m，3号煤层厚5.80-7.27m，平均厚6.64m，煤层结构简单，局部含一层夹矸，层位、厚度均稳定。

3号煤层伪顶为灰黑色泥岩，易垮落，厚0.90m；直接顶板多为灰色及深灰色砂质泥岩，层理发育，易垮落，一般6.94m左右；老顶为灰色、深灰色的砂岩，厚度4.76m。3号煤层底板为砂质泥岩，厚度1.1m。

另据矿井调查，井田内原有煤矿开采3号煤层，均采用壁式采煤法，一次采全高，全部跨落法管理法，工作面梯形木棚支护，顶板较易管理。相邻矿井开采3号煤层，均为走向长壁倾斜分层全部冒落式开采或开天窗放顶煤一次采全高新工艺开采，顶板易于管理。

2 计算模型及参数选取

本次计算采用FLAC3D模拟软件对3102采空区周围煤壁支承压力以及3101运输顺槽选择不同位置是巷道围岩应力及变形破坏规律进行模拟分析。

2.1 建立计算模型

设计模型几何尺寸为3#煤设计模型几何尺寸为150m×50m×40m（x×y×z）。其中煤层走向方向为模型x方向，倾向方向为y方向，铅垂方向为z方向。模型划分网格时，使重点分析区域的网格尽可能小，并且形状规则，全部为8节点六面体单元，不出现畸形单元。模型边界条件具体界定如下：以分析吉安煤业3102采空区及3101运输顺槽所在的3#煤层底板以上20m作为上边界，3#煤层顶板以下20m作为下边界，采空区左边缘实体煤壁为60m，3501采空区占模型长度90m，采空区90m以外对左侧煤壁的影响可以忽略不计，因此不用建在模型之内。计算模型如图1所示。

图1 吉安3#煤层开采模拟模型图

2.2 模型参数的选取

为了客观的、真实的反映3#煤层开采时的矿山压力显现规律和对煤壁的影响，模型中岩石的赋存情况、岩性、厚度以及力学参数都应该参考实际参数，把煤层上下方分别20m范围内的岩层赋予相应的参数，模型中主要岩层的岩性、厚度以及力学参数见表1所列。

表1 3#煤层顶底板赋存特征与力学参数

3 不同护巷煤柱宽度尺寸支承应力分布情况

图2 3101运输顺槽巷道围岩及煤柱中竖直应力云图

分别模拟计算3101运输顺槽与3102采空区之间的护巷煤柱尺寸分别为5m、10m、15m、20m时，巷道围岩及煤柱中的应力第二次重新分布情况，得出的不同护巷煤柱宽度竖直应力云图如图2所示。

由图2中可以看出，护巷煤柱为5m、10m时巷道受到3102工作面采空区边缘支承压力影响较大, 最大支承压力9.8MPa，巷道附近煤层埋深170m，原岩应力约为4.2MPa，煤柱中承受的最大竖直应力约为原岩应力的2.3倍，煤柱整体承受了较大的支承应力。留15m护巷煤柱时，巷道仍然受到3102工作面采空区边缘支承压力的影响，但离支承压力峰值点较原，对巷道的影响较小。留20m护巷煤柱时，巷道几乎未受到采空区支承压力的影响。煤柱中支承压力曲线如图3所示。

由图3中4组不同煤柱宽度支承压力曲线图可以看出：煤柱宽度越大，巷道围岩应力越小，3102采空区对3101运输顺槽的影响程度越小。

图3 不同护巷煤柱宽度时煤柱中支承压力曲线

图4 不同护巷煤柱时巷道围岩塑性变形破坏特征

4 不同护巷煤柱尺寸下巷道围岩破坏及变形特征

模拟分析3101运输顺槽的护巷煤柱分别为5m、10m、15m及20m四种不同护巷煤柱尺寸下巷道围岩的变形破坏特征，得出的巷道及煤柱塑性破坏区图如4所示，蓝色部分表示煤沿体的弹性区，这部分煤岩体未受到塑性破坏，其余颜色均表示煤岩体受到不同程度的塑性破坏。

由图4 a可以看出：3101运输顺槽留设5m煤柱时，煤柱整体出现塑性破坏，这种情况下煤柱被压塌；护巷煤柱为10m、15m、20m时巷道煤柱一侧均出现1m左右的塑性区，20m煤柱时巷道右帮上部出现1m左右的塑性破坏区。另外根据巷道两帮最大位移量的监测：20m煤柱时右帮位移量2.9cm，左帮1.9cm，巷道两帮鼓起量很小；15m煤柱时，巷道右帮28cm，左帮14cm，整体最大位移量约；0.32m；10m煤柱时，巷道右帮最大位移量41cm，左帮24cm，最大位移量为0.65m；5m煤柱时，右帮42m，左帮29m，最大位移量0.71m。

5 结论及建议

通过FLAC3D软件以吉安煤业地质条件为背景，模拟分析了3101运输顺槽分别布置在距3102工作面采空区5m、10m、15m、20m煤柱时巷道围岩应力变化情况及巷道两帮变形破坏区情况，并参考了相邻矿井潞安王庄煤业煤柱留设的相关经验和放顶煤工作面顶板垮落情况的一些数据，对吉安3101运输顺槽护巷煤柱宽度选择得出了以下结论，并提出了一些合理性建议：

（1）留20m护巷煤柱时，巷道两帮移近量接近于0m，3102工作面对3101运输顺槽采动影响很小，留设20m煤柱时巷道最易维护。

（2）留15m护巷煤柱时，巷道受到3102采空区边缘支承压力影响较小，巷道两帮最大移近量约为0.32m，考虑到3101运输顺槽作为3101工作面运巷使用，巷道内将来会布置电器列车以及皮带运输机，巷道变形对回采工作面正常生产影响较大，如留15m煤柱时，建议将巷道设计断面宽度增大0.3-0.5m，避免两帮出现变形后带来的修巷麻烦。

（3）留10m护巷煤柱时，煤柱承受的支承压力整体较大，巷道两帮移近量也较大，若留10m煤柱布置作为风巷顺槽使用时，能满足巷道的通风、运输材料的要求，可考虑留设10m护巷煤柱，作为运输顺槽使用，不建议留设10m煤柱。

（4）留5m护巷煤柱时，整个煤柱被压塑，这种情况下如果两个工作面能够实现跳采，并且巷道掘出后对煤柱两帮用水泥砂浆锚喷后，再对煤柱进行注浆加固，留下的巷道可作为下个工作面的回风顺槽使用，就吉安煤业实际情况，不推荐留设5m小煤柱。

综上所述：吉安煤业3#煤煤层埋深较浅，顶板易垮落，巷道围岩应力较小，可考虑留小煤柱掘巷。从最大限度回收煤炭资源角度考虑，3101运输顺槽可在3102工作面附近留设15m的护巷煤柱，建议将巷道断面设计尺寸宽度增加0.3-0.5m，以满足巷道两帮出现轻微的变形后还能满足巷道布置皮带及机电列车的需要。若3101运输顺槽若能改为回风顺槽使用，可考虑将护巷煤柱留设为10m左右，便能满足巷道通风运输的需要。

耿增达（1964—），男，山西长治人，从事煤矿安全技术研究及管理工作。