煤柱尺寸留设数值模拟研究

石建军，王金国

(1.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;2.禾草沟煤矿，陕西延安 717306)

0 前言

煤柱的宽度是影响煤柱定性和回采巷道稳定性的重要因素。当护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为回采巷道时，回采空间和回采巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性区。煤柱保持稳定的基本条件是:煤柱两侧塑性区发生变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤柱高度的2倍。

护巷煤柱尺寸大小决定巷道是否承受侧向支承压力及其大小。由于侧向支承压力会引起巷道强烈变形，所以护巷煤柱尺寸是影响受采动影响回采巷道顶板围岩稳定性的一个重要因素。［1－2］

1 开采技术条件

禾草沟井田整合区位于陕西省延安市子长县城西南18 km(直距)处。主要可采煤层为5号煤层，煤层平均厚度2.19 m分布于区内东部大范围。5号煤层直接顶板在区内主要为油页岩，局部为粉砂岩。岩石饱和抗压强度一般为3.04～54.34 MPa，平均 19.09 MPa，软化系数 0.15～0.76，属软岩～较坚硬岩石，但其中油页岩易崩解为不坚固岩石(Ⅰ)。5号煤层底板以泥质粉砂岩和泥岩为主，个别底板为细粒砂岩和中粒砂岩，岩石饱和抗压强度一般为5.74～38.18 MPa，平均18.12 MPa，软化系数0.16～0.72，属软岩 ～较坚硬岩石。煤层顶板柱状图如图1。

图1 煤层顶板柱状图

2 模型建立

由于矿压显现比较明显，在开采初期护巷煤柱设计为大煤柱，留设的煤柱尺寸为56 m，为了提高资源回收率，现在临近一个面的采空区布置一条巷道，尽可能回收煤柱。数值模拟研究主要研究沿空掘巷小煤柱尺寸，模型长280 m，宽200 m，高80 m，共37620单元块，41412个节点，数值模拟模型如图2、3所示。模拟共设计五种方案，如图4所示，煤柱尺寸为6 m、8 m、10 m、12 m和14 m，模拟在二次采动条件下的煤柱塑性区范围、支承压力变化规律和巷道围岩位移规律。

图2 数值模拟计算模型

图3 数值模拟剖面模型

3 矿压规律模拟

下面仅给出10 m煤柱模拟过程［3－9］。

3.1 塑性破坏区范围

当煤柱10 m时，塑性区破坏范围如图5。

3.1.1 工作面位置

沿空巷道塑性区破坏范围和临近采空区引起的塑性区之间有5 m的弹性区，沿空巷道煤柱帮塑性区范围2 m，煤壁帮塑性区破坏范围2 m，底板塑性区范围2 m，顶板塑性区破坏范围3 m。

顺槽煤壁帮塑性区破坏范围肩部3 m，巷道底角2 m;煤柱帮肩部出现塑性区，其他位置未出现塑性区;巷道底部底角位置塑性区范围2 m，底角和煤壁帮在模拟时出现塑性破坏，底部中央位置塑性区破坏范围3 m，模拟结束是已经稳定，巷道顶板塑性区破坏范围3 m。

图4 数值模拟方案

图5 沿空煤柱尺寸为10 m巷道围岩破坏图

3.1.2 工作面前方10 m

沿空巷道塑性区破坏范围和临近采空区引起的塑性区之间有5 m的弹性区，靠近采空区煤帮上部和下部塑性破坏区范围3 m，煤柱中部塑性区范围2 m，沿空巷道煤柱帮塑性区范围2 m，煤壁帮塑性区破坏范围2 m，底板塑性区范围2 m，顶板塑性区破坏范围3 m。

顺槽煤壁帮塑性区破坏范围肩部3 m，巷道中部和底角塑性区范围2 m;煤柱帮未出现塑性区;巷道底部底角位置塑性区范围2 m，底部中央位置塑性区破坏范围3 m，模拟结束是已经稳定，巷道顶板塑性区破坏范围3 m。

3.2 应力分布

10 m煤柱应力分布如图6。

煤柱压力最大位置出现在煤柱8 m处，最大值为54.3 MPa，沿空巷道煤壁帮侧3 m有最大应力为45 MPa。顺槽最大应力出现在煤壁帮8 m，最大为50 Mpa，煤柱侧最大应力出现在煤柱帮2 m，最大为45 MPa。

3.3 位移情况

10 m煤柱位移分布如图7。

沿空巷道顶板3m范围内发生8mm，底板1 m范围内发生5 mm的位移，两帮1 m范围内也存在11 mm的位移;顺槽顶板3 m范围内发生7 mm的位移，底板1 m范围内也发生3～4 mm的位移，两帮1 m范围内发生8 mm的位移。

图6 沿空煤柱尺寸为10 m时煤柱中应力分布图

图7 沿空煤柱尺寸为10 m时沿空巷道围岩位移图

4 结论

采对巷道的影响得出以下结论:

1)塑性区破坏范围

根据数值模拟研究5种煤柱尺寸由于煤层开

表1 塑性区破坏范围

2)应力分布

表2 最大主应力

3)顶板位移

表3 顶板位移值

回采巷道的稳定性与护巷煤柱尺寸有很大的关系，煤柱尺寸的合理确定是巷道支护设计的重要部分。合理的煤柱尺寸不仅可以减小巷道的变形，减小巷道维护工程量，而且还可以减少煤炭资源损失。文中综合考虑塑性区破坏范围、最大主应力、顶板位移值和资源回收等因素，可知当煤柱为10 m时符合要求。

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