深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟分析.docx

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深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟分析

深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟分析

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深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟分析-工程论文

深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟分析

王刚WANGGang

（神华宁夏煤业集团有限责任公司石沟驿煤业分公司，灵武751406）

（ShiGouyiCoalCompanyBranchofShenHuaNingxiaCoalIndustryGroup，Lingwu751406，China）

摘要：

合理的煤柱宽度能够保证工作面巷道的稳定性，改善沿空掘巷维护状况，降低由于矿山压力造成的巷道变形，煤柱宽度的确定对于提高煤柱回收率、保障安全高效的生产起到积极作用。

本文针对煤矿沿空掘巷具体生产地质条件，采用数值计算及现场试验相结合的方法，研究了沿空掘巷窄煤柱的合理的煤柱宽度，得到S2105瓦斯排放巷和S2106回风巷之间合理煤柱宽度为8m，为该矿地质条件下煤柱留设的合理宽度确定提供了理论依据。

Abstract：

Thereasonablewidthofcoalpillarsprovidesthepossibilityofensuringthestabilityoftheroadwayintheworkingface，bettersthemaintenancesituationinthedrivingroadwayalonggoaf，lessentheroadwaydeformationbecauseoftheminepressure．Theconfirmationofthewidthofthecoalpillarscouldbebenefictotherecoveryrateofcoalpillars，playsanactivepartinensuringhighproductiveandhighefficiency.Forgeologicalconditionsofspecificproductionofthedeepcoalseamsroadwaydrivingalongnextgoaf，usingthemethodsoftheoreticalanalysis，numericalcalculationandthecombinationoffieldandtest，obtainingcertainmethodofreasonablewidthofchainpillarofdeepcoalseamsroadwaydrivingalongnextgoaf，thereasonablewidthofthenarrowpillaris8m，whichprovideascientificbasisforthereasonablewidthofdeepcoalseamsroadwaydrivingalongnextgoafpillarimprovingdifficultsituationofthiscoalmine.

关键词：

沿空掘巷；窄煤柱；煤柱宽度；数值模拟

Keywords：

roadwaydrivingalongnextgoaf；narrowpillar；pillarwidth；numericalsimulation

中图分类号：

TD35文献标识码：

A文章编号：

1006-4311（2015）19-0110-04

作者简介：

王刚（1988-），男，宁夏石嘴山人，2011年毕业于中国矿业大学，研究方向为煤矿采掘技术。

0引言

长久以来，对受采动影响的巷道一般留煤柱护巷。

随着矿井开采深度的增加，护巷煤柱宽度越来越大，不仅造成巷道维护困难、费用高和维护效果差，而且大大降低煤炭采出率。

本文针对煤矿沿空掘巷具体生产地质条件，采用数值计算及现场试验相结合的方法，研究了沿空掘巷窄煤柱的合理的煤柱宽度。

1工作面位置及开采条件

S2106工作面开采煤层为3#煤层，平均厚度为5.35m，煤层倾角为0～8.3°，平均为2.5°，容重为1.39t/m3。

煤质松软、煤层厚度较稳定，煤层夹矸为泥岩。

S2106工作面平面布置图和909钻孔柱状图如图1、2所示。

2窄煤柱留巷数值模拟分析

2.1数值模拟模型的建立

根据S2106工作面生产地质条件，模拟S2106工作面回风顺槽和瓦排巷之间煤柱的留设及其稳定性，瓦排巷与上区段S2105工作面的回风顺槽之间净煤柱宽度为35m。

首先回采S2105工作面，然后在实体煤中距瓦排巷一定宽度掘进S2106回风顺槽，最后回采S2106工作面。

需要设计的煤柱主要受本区段S2106工作面回采超前支承压力、侧向支承压力和采空区支承压力的影响。

模拟煤层厚度6.0m。

将煤层划分为0.5m×0.5m（宽×高，以下同）的块体，直接顶1.2m×0.6m，底板1.2m×0.8m，作为关键层的岩块体宽15m。

整个模型尺寸（宽×高）300m×86m，上边界载荷按采深463m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，原始计算模型如图3所示。

S2106瓦排巷宽×高为4.8m×3.2m，基本支护参数见图4。

研究合理的窄煤柱宽度时，锚杆支护参数保持不变，顶、帮锚杆均采用φ22mm×L2400mm的左旋螺纹钢锚杆，树脂药卷全长锚固；顶锚杆间距860mm，排距900mm，并在顶板布置加强锚索，锚索参数为φ17.8×8300mm，帮锚杆间距900mm，排距900mm。

根据S2106回采期间瓦排巷的变形情况修正数值模拟中各岩层﹑煤层的力学参数见表1。

2.2数值模拟方案

煤柱合理宽度，应避开基本顶断裂前峰值压力，且使巷道位于基本顶断裂后的应力降低区内，并能降低因顶板断裂下沉引起的巷道变形。

为防止回风顺槽与瓦排巷在掘进时相互产生不利的影响，煤柱宽度不应小于巷道宽度的1倍。

结合S2106工作面生产地质条件，在给定支护条件下，只考虑煤柱宽度的影响，设计计算方案共7个。

分别为留设6、7、8、10、12、14、20m煤柱，见表2所示。

3数值模拟结果及分析

3.1煤柱内应力场分布特征分析

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、水平应力分布见图5、图6。

由图5和图6可见，掘巷阶段回风顺槽与瓦排巷之间煤柱内应力分布有如下特征：

①煤柱宽度对应力分布影响较大。

煤柱由6m增大到20m时，煤柱内垂直应力均呈现应力驼峰现象，说明在上区段侧向支承压力和巷道掘进应力影响下，两者应力出现叠加。

随着煤柱宽度的增加，应力叠加现象减弱，煤柱宽度大于8m后，煤柱内两个垂直应力峰值之间平滑段逐渐增加，说明煤柱内弹性区范围越来越大。

②煤柱宽度对应力峰值的影响。

随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力峰值逐渐减小，且煤柱内回风顺槽一侧垂直应力峰值降低更明显，煤柱6m时应力峰值为25.5MPa，20m时则减小为18MPa。

③煤柱宽度对煤柱浅部应力的影响。

煤柱宽度小于10m时，煤柱两侧浅部应力较小约为8～10MPa；大于10m后，瓦排巷一侧浅部应力增大为12MPa，回风顺槽一侧浅部应力减小为8MPa。

④煤柱宽度对水平应力分布的影响。

煤柱边缘因开挖影响，水平应力减小或降低，煤体受力状态由三向受力变为二向受力状态，而煤柱内部仍为三向受力。

实验表明，岩石强度在三轴状态下明显大于二轴受力，所以水平应力是影响煤柱强度的重要因素。

水平应力在煤柱内的分布特征呈现应力“单峰”现象。

随着煤柱宽度的增加，煤柱内水平应力逐渐增大，且峰值通常在煤柱中部，煤柱宽度为6m时水平应力峰值仅为8MPa，20m时则达到了18.2MPa，煤柱内水平应力的增加提高了煤柱强度，有利于煤柱的稳定。

综合煤柱内垂直应力和水平应力分布特征：

煤柱小于7m时，煤柱内垂直应力远大于水平应力，煤柱受力环境差，不利于煤柱稳定。

随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力减小，水平应力增加，煤柱强度在此受力条件下得到提高，煤柱稳定性好。

3.2煤柱内塑性区分布特征分析

受上区段回采影响，瓦排巷围岩内产生塑性区，不同宽度的煤柱内塑性区分布特征如图7所示。

由图7可知，回风顺槽掘进后，区段煤柱内塑性区分布有如下特征：

①巷道沿泥岩底板开挖后，在二次应力作用下巷道周围出现塑性区，当两条巷道距离较远时，巷道周围的塑性区互不影响，而距离较小时，巷道帮部塑性区会互相重叠，导致中间煤柱完全处于塑性状态。

②随着煤柱宽度的增加，煤柱内塑性区的范围逐渐减小。

当煤柱宽度小于8m时，煤柱完全处于塑性区；煤柱为8m时，煤柱内塑性区明显减小，中部出现弹性区；煤柱大于10m后，塑性区只存在煤柱边缘，煤柱中间为弹性区。

从图中可以看出，瓦排巷两帮和顶部无破碎区，只有在瓦排巷底板出现部分破碎区，说明瓦排巷存在底鼓现象。

根据数值模拟结果，留设煤柱时，应使巷道布置在应力降低区内，避开垂直应力峰值的影响范围。

因此，S2106工作面瓦排巷与回风顺槽之间煤柱的宽度应当小于10m或者大于20m，同时为了减窄煤柱损失，提高采出率，留设煤柱宽度应小于10m。

留设煤柱小于8m时，本区段回风顺槽掘进期间，煤柱中部就进入塑性区，且垂直应力峰值相对较大而水平应力相对较小。

因此确定S2106工作面回风顺槽与瓦排巷之间的煤柱宽度为8m。

4结论

由数值模拟分析，得出以下结论：

①随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力减小，水平应力增加，煤柱强度在此受力条件下得到提高，煤柱稳定性好。

②根据数值模拟结果，确定该矿条件下S2106工作面回风顺槽与瓦排巷之间的煤柱宽度为8m，既能提高煤炭采出率又能保证煤柱稳定性。

参考文献：

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