五陽煤礦孤島綜放工作面合理護巷煤柱寬度研究

王繼林 陳 芳 屠洪盛

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.潞安環能公司五陽煤礦，山西省長治市，046205；3.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

五陽煤礦孤島綜放工作面合理護巷煤柱寬度研究

王繼林1，2陳 芳3屠洪盛3

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.潞安環能公司五陽煤礦，山西省長治市，046205；3.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

為確定五陽煤礦“孤島”綜放工作面合理護巷煤柱寬度，控制回采巷道變形破壞，以7603工作面為工程背景，采用三維有限差分軟件FLAC3D，對不同護巷煤柱寬度條件下的回采巷道圍巖應力分布和塑性區發育特征進行了模擬分析，結果表明：該工作面合理的護巷煤柱寬度為22.5m。

孤島綜放工作面 保護煤柱 數值模擬

孤島工作面回采，由于工作面周圍均已采空，圍巖壓力大，巷道變形破壞十分嚴重，對工作面回采影響極大。軟煤孤島工作面掘進巷道時，由于巷道一側已采空，使巷道側煤體應力集中，加上煤體本身松軟，巷道圍巖破碎嚴重，給支護帶來很大困難，因此軟煤層孤島工作面巷道掘進支護及頂板的管理相當困難。在軟巖巷道掘出后圍巖壓力集中使圍巖強度降低，并逐漸使巷道兩幫圍巖表層松動區破裂，導致破裂帶向圍巖深部發展，使松動區圍巖先失去自承能力，直到冒落片幫，加大松動區的范圍。為了解決這一問題，通過留設合理尺寸的保護煤柱，保證煤柱的支撐護巷能力，可以大大降低巷道支護及維護難度。因此，運用FLAC3D模擬不同煤柱寬度對孤島工作面回采巷道應力分布、塑性區范圍的影響，可以得出合理的護巷煤柱寬度。在留設孤島工作面回采巷道保護煤柱時應該充分考慮最大支撐應力范圍，從而確定保護煤柱尺寸，使回采巷道避開應力較高區，確保回采巷道穩定性。

1 地質概述

五陽煤礦7603孤島工作面位于3＃煤層＋600m水平，埋深470m左右，工作面傾斜布置，走向開采，傾斜長度為275m，走向長度2166 m。據7603工作面實測的數據：該煤層總厚度為5.2～6.81m，平均煤厚6.11m，煤層傾角為7～14°，平均11°，煤層賦存穩定，煤層的普氏系數為0.8～1.0，屬偏軟煤層。煤層頂底板柱狀圖見圖1。該工作面的應力集中程度相對較大，對掘進、支護和生產造成一定的困難。

圖1 煤層頂底板綜合柱狀圖

2 保護煤柱尺寸的數值模擬

2.1 模型的建立

運用FLAC3D模擬不同保護煤柱寬度對回采巷道圍巖應力分布和巷道變形特征比較合適。由于FLAC3D不能模擬巖層跨落，當巖層達到極限平衡以后，就不能繼續計算，所以本模型在建模時，工作面推進長度應大于周期來壓步距，本文工作面推進長度設定為50m。在設定的推進長度內，7603工作面兩側的工作面已達到充分采動時，研究7603孤島工作面不同尺寸保護煤柱的圍巖力學特征。在傾向方向，7603工作面上方和下方分別為7601工作面和7605工作面（已采空），工作面傾斜長度為200m，根據煤巖層特性、兩側采動情況和巖層移動情況，在7601工作面上部和7603工作面下部各留50m煤柱。三維數值模擬采用長方體，模型范圍為長760m、寬50m、高182m，本模型共有135000個單元塊，152306個節點，如圖2所示。

圖2 FLAC3D數值模擬煤柱寬度計算模型

2.2 模型參數

模擬孤島工作面的頂底板巖層特征及其實驗室測定的力學性質見表1。在模型的計算中采用莫爾－庫倫準則作為巖體的破壞準則。模型的側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部邊界為應力條件，通過在上部邊界施加應力來代替上覆巖層的重量。根據實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量，模型平均埋深470m，上覆巖層的平均密度近似為2500kg／m3，由式（1）計算得出加在模型上部邊界的應力應為11.75MPa。

式中：σz——垂直應力，MPa；

γ——上覆巖層的平均密度，kN／m3；

H——單元體距離地表的深度，m。

隨著深度的增加原巖應力逐漸增大，模型的前后、左右及下部邊界采用鉸接固定。

表1 模型各巖層的力學參數

3 模擬結果分析

（1）垂直應力。在采用不同寬度的護巷煤柱條件下，模擬護巷煤柱的變形破壞區域，結果見圖3。

不同煤柱尺寸，在垂直應力作用下煤柱本身發生的支承壓力狀態表現不一樣。從圖3可以看出，對于10m、15m和17.5m寬的煤柱，巷道開挖所產生的應力重新分布表現為煤柱中部應力降低區與穩定區都很小或消失，使得煤柱產生不穩定因素，很容易發生破壞，喪失了支持作用。從20m開始煤柱中部應力降低區與穩定區加大，煤柱存在明顯的穩定區（核區）。可以看出當煤柱寬度為20 m時開始，煤柱存在一定寬度的穩定區，具有一定程度的護巷能力。

（2）煤柱破壞情況。不同寬度煤柱情況下煤柱的破壞情況見圖4所示。

不同煤柱尺寸，煤柱本身發生的破壞狀態表現不一樣。從圖4中可以看出，對于10m、15m和17.5m寬的煤柱，巷道開挖所產生的塑性區與采空區側的塑性區均進行了不同程度的疊加，使得煤柱完全破壞，喪失了支持作用。從22.5m開始，兩個塑性區開始分開，到了25m寬的煤柱情況下，兩個塑性區距離為2.5m左右。可以看出當煤柱寬度為20m時開始，煤柱的破壞程度較小，具有一定程度的支撐能力。因此，對孤島工作面而言，保護煤柱寬度應大于或等于20m時才能保證保護煤柱不失穩，回采巷道變形較小。

為了保證礦井的安全生產，提高煤柱的安全系數，同時也為錨桿支護提供更好的條件，因此，選擇合理的煤柱寬度為22.5m。

4 小結

（1）運用FLAC3D對煤柱的合理寬度進行了數值模擬研究，通過模擬結果得到了保護煤柱的最小寬度為20m，確定了五陽礦7603孤島綜放面保護煤柱尺寸為22.5m。

（2）數值模擬表明，7603工作面煤柱的寬度對回采巷道變形有很大影響，隨著煤柱寬度的增加巷道變形量逐漸減小，煤柱支撐能力逐漸加強，合理煤柱寬度可減小回采巷道維護難度。

（3）通過數值模擬對比的方法得出提高塑性區煤體強度可以提高護巷煤柱的穩定性和承載能力，從而可以減小護巷煤柱的尺寸。

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Research on reasonable width of protective coal pillar in isolated fully－mechanized working face of Wuyang Coal Mine

Wang Jilin1，2，Chen Fang3，Tu Hongsheng3
（1.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China；2.Wuyang Coal Mine，Shanxi Lu＇an Environment and Energy Company Ltd.，Changzhi，Shanxi 046205，China；3.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

In order to confirm the reasonable width of protective coal pillar in isolated fullymechanized working face of Wuyang coal mine for the purpose of controlling the deformation and failure of mining roadway，the stress distribution of surrounding rock and the developing characteristics of plastic zone in No.7603working face were simulated by using FLAC3Dnumerical simulation software under the conditions of different coal pillar widths.The results showed that the reasonable width of the protective coal pillar should be 22.5mfor this working face.

isolated fully－mechanized working face，protective coal pillar，numerical simulation

TD353

B

王繼林（1969－），男，河南夏邑人，現任五陽煤礦副礦長，高級工程師，2009年獲得中國礦業大學采礦工程系碩士學位，主要從事采煤方法與巖層控制方面研究。

（責任編輯 張毅玲）