回采巷道护巷煤柱参数数值模拟优化研究

褚 鹏 于衍达 韩长海

（山东省邱集煤矿有限公司，山东 齐河 251105）

邱集煤矿自投产以来基本采用20m的工作面护巷煤柱。为避免煤炭资源浪费和其他矿井灾害，邱集煤矿采用沿空送巷技术进行工作面开采，而沿空送巷技术的关键问题，即是保证护巷煤柱宽度[1]的设置合理。煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑性，容易失稳，片帮严重；若煤柱过大，则回采巷道布置在应力增高区内，将使巷道压力大，支护困难[2]。

以邱集煤矿的某巷道为研究对象，通过FLAC3D数值模拟[3]，对煤柱的宽度参数进行研究。该巷道位于7600轨道上山东翼，北邻7603工作面采空区，西至7601联络巷，南邻7601机巷，东至七煤可采边界线。该巷道的顶底板岩性情况，如表1所示。

表1 煤层顶、底板岩性情况

1 数值模拟计算

FLAC3D不需要通过计算中的迭代来满足本构关系，无须形成刚度矩阵，可以基于小的存储空间研究大范围的岩土模型问题，适用于复杂条件下的大变形问题[4]，因此采用FLAC3D进行数值计算模拟。

根据圣维南原理、顶底板岩性情况以及工程图纸尺寸，以巷道断面为中心四周拓展范围，使顶、底板厚度与实际相符，通过犀牛软件构建数值计算模型：X方向跨度26m，Y方向跨度60m，Z方向跨度20m。采用1m边长的四面体进行网格划分，得到节点116762个，单元663671个，形成初始应力计算模型如图1，临近采空区的巷道开挖模型如图2。

图1 初始应力计算模型

图2 临近采空区的巷道开挖模型

通过改变临近采空区的巷道开挖模型中煤柱的宽度，来进行模拟计算，以获取最适宜的煤柱宽度。根据2018年1月份的现场实测煤体内侧向支承压力分布图（图3）可知，煤体应力高峰点在煤体内深4m处左右，原岩应力分布范围在6m之外。因此研究模型选取宽度为4m以及6m的煤柱，进行模拟计算。

图3 煤体内侧向支承压力分布图

根据邻近矿山经验，岩体的力学参数[5]如表2。

表2 岩体力学参数

2 模拟结果分析

通过对比模型中央的竖直断面的沉降情况、底板断面的底鼓情况以及两个模型的塑性区情况来比较两个模型的优劣。

6m煤柱模型的塑性区体积为343.8m3，4m煤柱模型的塑性区体积为346.8m3；6m煤柱模型的中央竖直断面沉降最大值为1.175mm，底鼓最大值为4.493mm，4m煤柱模型的中央竖直断面沉降最大值为1.176mm，底鼓最大值为4.552mm，如图4（a）、（b）所示；6m煤柱模型的中央底鼓剖面沉降最大值为7.68mm，底鼓最大值为4.63mm，4m煤柱模型的中央底鼓剖面沉降最大值为7.84mm，底鼓最大值为4.68mm，如图5（a）、（b）所示。

图4 煤柱模型的中央竖直断面

图5 煤柱模型的底鼓断面

综上所述，6m煤柱宽度的模型计算结果优于4m煤柱宽度，因此认为应采用6m煤柱宽度。

3 结论

（1）通过某巷道实际工程布置情况，构建三维计算模型，模拟比较了4m煤柱与6m煤柱宽度的优劣，认为应采用6m煤柱宽度。

（2）模型根据顶、底板岩性情况构造，较接近工程实际，但其不能反映岩体工程中的各向异性，模拟方法仅仅是一种参考及验证手段，与工程实践难免有出入。该模拟方法手段，在实践应用中可结合监测数据使用，对类似工程实践的开展，具有一定借鉴价值。