保護煤柱寬度對順槽穩定性影響的研究

王 杰

(潞安礦業集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046203)

·試驗研究·

保護煤柱寬度對順槽穩定性影響的研究

王 杰

(潞安礦業集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046203)

順槽是礦井安全、高效生產的必經通道，可用于運輸、通風，因此，順槽的正確維護就顯得尤為重要。順槽不同于其他永久巷道，順槽兩幫通常由煤柱和工作面煤體組成，然而煤體的抗壓強度遠小于巖體抗壓強度，這就導致順槽兩幫很容易發生壓裂破壞，出現片幫現象，維護困難。順槽在煤柱一側的破壞更加嚴重，本文利用力學理論分析的方法對順槽的穩定進行研究，并輔以數值計算對不同煤柱寬度對順槽穩定的影響進行研究，得出了煤柱寬度越大，對順槽的穩定性越有利，這也就是順槽在煤柱一側的破壞程度要比工作面煤體側更加嚴重的原因。

順槽煤柱;煤柱寬度;順槽穩定性;數值計算

留設煤柱是煤礦安全生產中最常用的護巷方法，也就是說在兩順槽之間留有一定寬度的煤柱，在服務期間內保證順槽圍巖不會發生大的變形，從而保護工作面順槽的穩定性［1，2］。煤柱寬度對順槽穩定性影響非常大，因此，對順槽煤柱寬度的確定顯得尤為重要［3－5］，本文通過寬度不同的順槽煤柱對工作面順槽圍巖受力特征進行分析，進而分析順槽煤柱對工作面順槽穩定性的影響。

1 順槽圍巖穩定性分析

工作面回采后，煤柱采空區側老頂巖層垮落，基本頂巖層斷裂后形成砌體梁結構，塊體結構受力分析見圖1。

圖1 工作面回采后塊體結構受力圖

為了便于計算，對塊體結構受力圖進行簡化處理，并利用多跨梁的理論分析其平衡關系，見圖2。

圖2 上區段工作面開采后結構分析簡化圖

老頂破斷結構簡化成梁結構見圖3，分別為懸臂梁和斜簡支梁兩個結構。

圖3 多跨梁分解為懸臂梁和簡支梁圖

取懸臂梁，計算其反力。

q'單獨作用下懸臂梁產生的撓曲線方程可用下式計算:

P單獨作用下懸臂梁產生的撓曲線可用下式計算:

F單獨作用下懸臂梁產生的撓曲線可用下式計算:

Q單獨作用下懸臂梁產生的撓曲線可用下式計算:

懸臂梁的總撓度為各個載荷單獨產生的撓度的疊加，即:

利用以上的計算公式并結合幾何關系x1＜x2＜x3，可以計算出煤柱支撐力作用點B的撓度(x=x2)

1)若煤柱處于彈性階段，則得:

如果根據上式計算，得到F＞FS。

2)若煤柱處于塑性階段，則得

此時，煤柱發生變形破壞，順槽穩定性差，要對順槽采取有效的補強手段。

2 數值模擬分析

通過數值模擬的手段來說明不同寬度順槽煤柱對順槽穩定性的影響，本文選擇10 m和20 m進行比較。

模型尺寸取為60 m×60 m，巷道尺寸為4 m×3.5 m。單元類型為4節點42型單元，施加載荷為20 MPa。

模型中巖層分布特征見表1，各材料力學參數見表2。

表1 巖層分布特征

表2 材料的主要力學參數

以下對寬度為10 m、20 m模型的應力狀態進行模擬，剪應力分布云圖、豎向應力分布云圖、水平應力分布云圖見圖4～圖9。

由圖4，圖5分析可知，最大的剪應力值在順槽頂角和底角處，且沿著順槽中心線呈對稱分布。當順槽煤柱寬度為10 m時，剪應力值達到14.7 MPa;當順槽煤柱寬度為20 m時，剪應力值達到14.3 MPa。從圖4，圖5對比可以看出，隨著煤柱寬度的增大，最大剪應力值減小，但是減小的幅度比較小。

由圖6，圖7分析可知，最大的垂直應力在順槽兩幫中部表面，且表現為拉應力。當順槽煤柱寬度為10 m時，順槽兩幫的最大拉應力值為5.8 MPa;當順槽煤柱寬度為20 m時，順槽兩幫的最大拉應力值為5.6 MPa。從圖6，圖7可以看出，隨著煤柱寬度的增大，順槽兩幫的拉應力值在減小。

由圖8，圖9分析可知，最大的垂直應力在順槽頂底板中部表面，且表現為拉應力。當順槽煤柱寬度為10 m時，順槽兩幫的最大拉應力值為11.2 MPa;當順槽煤柱寬度為20 m時，順槽兩幫的最大拉應力值為11.3 MPa。從圖8，圖9可以看出，隨著煤柱寬度的增大，順槽兩幫的拉應力值基本沒有變化。

根據以上分析可以看出，增大煤柱寬度可以對順槽兩幫進行有效的維護。

3 結論

通過以上分析可知，不同順槽煤柱寬度條件下，工作面順槽圍巖的受力呈現不同的分布特征:

1)豎向應力、水平應力及剪應力的分布情況非常相似，且最大應力均出現在順槽頂底板及拐角處。結果表明，當煤柱寬度增大時，順槽圍巖應力呈現降低的趨勢，因此，寬煤柱對順槽的穩定起到非常重要的作用。

2)通過順槽所受豎向應力分布情況分析可知，結果表明，當煤柱寬度大到一定極限時，煤柱寬度的繼續增大對維護順槽穩定的意義很小，因此，煤柱合理尺寸的確定就顯得尤為重要。

［1］ 董方庭.巷道圍巖松動圈支護理論［J］.煤炭學報，1994，19(1):31 －32.

［2］ 范秋雁.論軟巖支護中的讓壓技術－兼談新奧法的讓壓理論［J］.采礦與安全工程學報，1993(2):5－8.

［3］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2007:93－95.

［4］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1994:129－131.

［5］ 侯朝炯，郭勵生，勾攀峰.煤巷錨桿支護［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1999:51－52

Study on Influence on Gateway Stability of Protection Coal Pillar Width

Wang Jie

The gateway is the necessary channel of safe and efficient production in the mine，it can be used to transport and ventilation，so the correct maintenance of the gateway is particularly important.The gateway is different from other permanent roadway，the two sides of gateway usually consist of the coal pillar and working face coal body，however the compressive strength of coal body is far less than the compressive strength of rock mass，this leads to the two sides of gateway easily happen fracturing damage，appear wall caving phenomenon，the maintenance is difficult.The destruction of gateway in the pillar side is more serious.This paper by using the mechanical theory analysis method studies the stability of the gateway，and with the numerical calculation studies the influence on the gateway stability of the different coal pillar width，it is concluded that the coal pillar width is greater，the stability of the gateway is more favorable，this also is the reason which the gateway destruction extent in the pillar side is more serious than the coal body side of the face.

Coal pillar of gateway;Width of coal pillar;Stability of gateway;Numerical simulation

TD322

A

1672－0652(2012)10－0023－03

2012－07－29

王 杰(1986—)，男，山西長治人，2010年畢業太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦生產與管理工作(E －mail)coal_man@163.com