回采巷道護(hù)巷煤柱參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化研究

褚 鵬 于衍達(dá) 韓長(zhǎng)海

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251105）

邱集煤礦自投產(chǎn)以來(lái)基本采用20m的工作面護(hù)巷煤柱。為避免煤炭資源浪費(fèi)和其他礦井災(zāi)害，邱集煤礦采用沿空送巷技術(shù)進(jìn)行工作面開(kāi)采，而沿空送巷技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，即是保證護(hù)巷煤柱寬度[1]的設(shè)置合理。煤柱寬度對(duì)巷道的維護(hù)狀況起決定作用，若煤柱過(guò)小，由于靠采空側(cè)的煤柱受支承力的影響已呈塑性，容易失穩(wěn)，片幫嚴(yán)重；若煤柱過(guò)大，則回采巷道布置在應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，將使巷道壓力大，支護(hù)困難[2]。

以邱集煤礦的某巷道為研究對(duì)象，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬[3]，對(duì)煤柱的寬度參數(shù)進(jìn)行研究。該巷道位于7600軌道上山東翼，北鄰7603工作面采空區(qū)，西至7601聯(lián)絡(luò)巷，南鄰7601機(jī)巷，東至七煤可采邊界線(xiàn)。該巷道的頂?shù)装鍘r性情況，如表1所示。

表1 煤層頂、底板巖性情況

1 數(shù)值模擬計(jì)算

FLAC3D不需要通過(guò)計(jì)算中的迭代來(lái)滿(mǎn)足本構(gòu)關(guān)系，無(wú)須形成剛度矩陣，可以基于小的存儲(chǔ)空間研究大范圍的巖土模型問(wèn)題，適用于復(fù)雜條件下的大變形問(wèn)題[4]，因此采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬。

根據(jù)圣維南原理、頂?shù)装鍘r性情況以及工程圖紙尺寸，以巷道斷面為中心四周拓展范圍，使頂、底板厚度與實(shí)際相符，通過(guò)犀牛軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型：X方向跨度26m，Y方向跨度60m，Z方向跨度20m。采用1m邊長(zhǎng)的四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到節(jié)點(diǎn)116762個(gè)，單元663671個(gè)，形成初始應(yīng)力計(jì)算模型如圖1，臨近采空區(qū)的巷道開(kāi)挖模型如圖2。

圖1 初始應(yīng)力計(jì)算模型

圖2 臨近采空區(qū)的巷道開(kāi)挖模型

通過(guò)改變臨近采空區(qū)的巷道開(kāi)挖模型中煤柱的寬度，來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，以獲取最適宜的煤柱寬度。根據(jù)2018年1月份的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力分布圖（圖3）可知，煤體應(yīng)力高峰點(diǎn)在煤體內(nèi)深4m處左右，原巖應(yīng)力分布范圍在6m之外。因此研究模型選取寬度為4m以及6m的煤柱，進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力分布圖

根據(jù)鄰近礦山經(jīng)驗(yàn)，巖體的力學(xué)參數(shù)[5]如表2。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比模型中央的豎直斷面的沉降情況、底板斷面的底鼓情況以及兩個(gè)模型的塑性區(qū)情況來(lái)比較兩個(gè)模型的優(yōu)劣。

6m煤柱模型的塑性區(qū)體積為343.8m3，4m煤柱模型的塑性區(qū)體積為346.8m3；6m煤柱模型的中央豎直斷面沉降最大值為1.175mm，底鼓最大值為4.493mm，4m煤柱模型的中央豎直斷面沉降最大值為1.176mm，底鼓最大值為4.552mm，如圖4（a）、（b）所示；6m煤柱模型的中央底鼓剖面沉降最大值為7.68mm，底鼓最大值為4.63mm，4m煤柱模型的中央底鼓剖面沉降最大值為7.84mm，底鼓最大值為4.68mm，如圖5（a）、（b）所示。

圖4 煤柱模型的中央豎直斷面

圖5 煤柱模型的底鼓斷面

綜上所述，6m煤柱寬度的模型計(jì)算結(jié)果優(yōu)于4m煤柱寬度，因此認(rèn)為應(yīng)采用6m煤柱寬度。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)某巷道實(shí)際工程布置情況，構(gòu)建三維計(jì)算模型，模擬比較了4m煤柱與6m煤柱寬度的優(yōu)劣，認(rèn)為應(yīng)采用6m煤柱寬度。

（2）模型根據(jù)頂、底板巖性情況構(gòu)造，較接近工程實(shí)際，但其不能反映巖體工程中的各向異性，模擬方法僅僅是一種參考及驗(yàn)證手段，與工程實(shí)踐難免有出入。該模擬方法手段，在實(shí)踐應(yīng)用中可結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用，對(duì)類(lèi)似工程實(shí)踐的開(kāi)展，具有一定借鑒價(jià)值。