综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟研究

李德中　王赛骞

摘要：综放开采技术已成为我国实现高产高效生产的途径之一，为提高采出率，综放沿空掘巷技术得到推广。窄煤柱合理宽度的确定是保证沿空掘巷围岩稳定的关键一环，本文采用FLAC3D软件对不同宽度窄煤柱条件进行模拟计算，根据窄煤柱内应力、位移分布特征综合分析，研究结果表明：煤柱过窄，巷道围岩整体性差、承载能力较小，煤柱过宽，巷道变形增加，结合所给地质情况，最终确定综放沿空掘巷窄煤柱的合理宽度为5-6 m。

关键词：综放沿空掘巷；煤柱宽度；数值模拟

0引言

我国煤炭资源分布广泛，随着工业的迅速发展，采矿规模不断扩大。经过近20年的不断探索、试验和研究，综放开采技术已成为我国煤矿实现高产高效的途径之一[2-3]。综放开采回采巷道的布置方式可分为大煤柱护巷、沿空掘巷、沿空留巷，大煤柱护巷将回采巷道布置在侧向支承压力影响范围外，巷道易于维护，但对于厚煤层来说，煤炭资源浪费严重；沿空留巷所需工艺较复杂，巷道变形严重，不宜维护；沿空掘巷将巷道布置在侧向支承压力降低区，留窄煤柱护巷，大大减少了资源浪费且有利于巷道维护。综放沿空掘巷窄煤柱宽度的确定不仅影响煤炭采出率，而且关系到巷道围岩稳定性，因此本文采用数值模拟针对综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定进行研究。

1工程地质条件

3104轨道巷位于三一采区回风巷北，巷道长1482m。3104工作面所采煤层为山西组中下部3#煤层，有陆相湖泊沉积而成，煤层赋存稳定，平均厚度6.02 m，无夹矸，煤层倾角一般小于10°，工作面宽度为180m，平均埋深400 m，工作面采放比为1：1。直接顶为灰黑色泥岩，厚度为2 m左右。基本顶为4.6 m的细砂岩，致密坚硬。直接底为黑色的砂泥岩，厚度为4 m。

2窄煤柱合理宽度的数值模拟模型

本文采用FLAC3D有限差分软件，对窄煤柱内支承压力及变形进行模拟，为确定合理的窄煤柱宽度提供一定依据。采用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸为160 m×80 m×46 m，共110400个单元，118017个节点。模型底部固定，侧面限制水平移动，上表面施加垂直载荷模拟上覆岩层重量，侧压系数为1.2，模拟方案如表1所示。

2.1窄煤柱掘巷期间煤柱应力分布

取煤柱高度一半的中部层位研究煤柱内应力场分布情况，掘进期间沿煤柱宽度方向的垂直应力分布如图1所示。

由图1可见，掘进阶段综放工作面沿空掘巷窄煤柱应力分布具有如下特征：

（1）不同煤柱宽度窄煤柱垂直应力变化规律。窄煤柱垂直应力峰值随着窄煤柱宽度的增大不断增大，其变化分为两个阶段：

1）窄煤柱宽度为3 m~7 m，煤柱由3 m增大到7 m时，煤柱内垂直应力峰值基本呈线性增大趋势，斜率较大，3 m时垂直应力峰值为5.00 Mpa，4 m时垂直应力峰值为7.45 Mpa，5 m时垂直应力峰值为9.22 Mpa，6 m时垂直应力峰值为12.2 Mpa，7 m时垂直应力峰值为14.2 Mpa。

2）窄煤柱宽度为 8 m~10 m，煤柱由8 m增大到10 m时，煤柱内垂直应力峰值基本稳定，增加不大，8 m时垂直应力峰值为14.5 Mpa，9 m时垂直应力峰值为14.8 Mpa，10 m时垂直应力峰值为15.1 Mpa。

（2）煤柱宽度对煤柱浅部应力的影响。煤柱3 m～5 m时，浅部应力较小，煤柱超过6 m后，浅部应力随着煤柱宽度增大而增大。煤柱宽度为5 m~6 m时，窄煤柱应力集中系数较小，最大仅为1.25，窄煤柱相对比较稳定，为比较合理的窄煤柱宽度。

2.2窄煤柱变形机理

取煤柱高度一半的中部层位为研究对象，煤柱内水平位移场分布特征如下图所示。

由图2～图3可见，掘进期间煤柱水平位移具有以下特征：

（1）向采空区侧水平位移。煤柱宽度由3 m增大到5 m时，煤柱向采空区侧的位移随煤柱宽度增大而增大，增长速度逐渐减小，窄煤柱宽度超过5 m后，煤柱向采空区侧位移逐渐减小，最终趋于稳定，留设5m煤柱时，向采空区侧位移最大，达30 mm。

（2）向巷道方向水平位移。窄煤柱宽度3 m~4 m时，煤柱向巷道方向位移增加较大，大于4 m后，窄煤柱向巷道方向位移随煤柱宽度增加而呈线性增长，增长速度较慢。

3窄煤柱宽度的合理确定

3.1确定窄煤柱合理宽度的原则

窄煤柱合理宽度的确定是保证沿空掘巷围岩稳定的关键一环，应满足以下原则：

3.1.1巷道处于应力降低区

采空区侧向支承压力分为原岩应力区、应力降低区和应力升高区，将巷道布置在应力降低区时，巷道顶板下沉量、窄煤柱帮水平移近量以及实体煤帮移近量均有很大程度的降低，利于巷道维护，因此，在应力降低区布置巷道较为合理。模拟结果表明距3102工作面的7 m～21 m范围为侧向支承压力的峰值影响区。所以，窄煤柱的宽度应当小于7 m或者大于21 m，为提高采出率，煤柱宽度应小于7 m。

3.1.2窄煤柱内部有稳定的区域

由于上区段工作面回采影响和本工作面回采巷道掘进影响，在煤柱两侧存在不同程度的破碎区，该区域内围岩承载能力小、稳定性差。巷道采用锚杆支护时，为保证支护效果，应将锚杆锚固在稳定煤体中。模拟结果表明：留设3 m窄煤柱时，巷道变形严重且煤柱破碎，垂直应力峰值大于4 m～5 m煤柱时的垂直应力峰值。

3.2合理的窄煤柱宽度

综上所述，确定合理的窄煤柱宽度为5 m~6 m，窄煤柱宽度为5 m~6 m时，围岩位移及应力均较小，煤柱中部存在位移较小且稳定部分。

4结论

（1）通过研究窄煤柱内垂直应力分布特征，可知窄煤柱垂直应力峰值随煤柱宽度的增加先增大，当煤柱宽度达到8m后应力峰值基本保持稳定，且垂直应力峰值位置大约在距采空区侧1 m~2 m处。为保证煤柱的完整与稳定，考虑煤柱应力分布，煤柱宽度为5~6 m较为合理。

（2）通过研究窄煤柱内水平位移特征，可知煤柱向采空区侧位移随煤柱宽度增大而增大，当煤柱宽度达到5 m后减小最终趋于稳定；煤柱向巷道方向位移随煤柱宽度增加而增大，煤柱宽度大于4 m后增长速度缓慢；煤柱宽度为5~6 m时，煤柱中部位移稳定且较小。

参考文献：

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