大采高煤柱留设煤柱设计分析(共8页)

1、PAGE 9大采高工作面护巷煤柱留设宽度(kund)分析(fnx)李权1，张俊龙1（1.晋能集团(jtun)长治有限公司 生产技术部， 山西 长治 046000）摘 要：护巷煤柱留设宽度的大小直接关系到巷道受邻近工作面采动破坏程度，结合现场巷道变形的实测及运用FLAC3D数值模拟分析软件分析出不同护巷煤柱宽度下支承压力分布规律，得出合理的护巷宽度，以达到最大限度降低巷道维护费用和最大限度地回收煤炭资源的目的。关键词：护巷煤柱宽度；采动破坏；FLAC3D；支承压力分布规律中图分类号： 文献标志码：回采巷道一侧的护巷煤柱用于隔离采空区和维护巷道，是上个回采工作面采空区和巷道边缘支承压力的主要承载体

2、，所以煤柱的变形破坏对巷道成型维护及顶板岩层控制有极大的影响。研究表明1：煤柱的尺寸大小直接影响到巷道受动压破坏变形程度，煤柱尺寸的大小直接影响到回采巷道在回采期间的稳定性，合理的煤柱尺寸确定是工作面开采设计的重要部分。1 工程地质条件王庄煤业3502回风顺槽沿3#煤煤层顶底板掘进，巷道断面为矩形，巷道宽5m，高5m，直接顶为4.76m厚砂质泥岩，基本的为5.30m厚的细砂岩，直接底为2.63m厚的灰黑色泥岩，基本底为2.20m厚的细砂岩。煤层厚4.206.07m，平均厚5.08m，煤层埋深360m，倾角4-6，属于近水平煤层。巷道与3501回采工作面采空区相邻，中间相隔15m区段煤柱，350

3、2回风顺槽掘出后受3501回采工作面采动影响，巷道两帮起鼓严重，巷道断面宽度由5.0m收缩到2.5m左右，局部巷道两帮移近量达到3.0m。2 计算模型及参数选取本次计算采用FLAC3D模拟软件对3501采空区周围煤壁支承压力以及3502回风顺槽布置不同位置时巷道围岩应力及变形破坏规律进行模拟分析。2.1 建立计算模型设计模型几何尺寸为3#煤设计模型几何尺寸为150m50m40m（xyz）。其中煤层走向方向为模型x方向，倾向方向为y方向，铅垂方向为z方向。模型边界条件具体界定如下：以分析王庄矿区3501采空区及3502回风顺槽所在的3#煤层底板以上20m作为上边界，3#煤层顶板以下20m作为下边

4、界，采空区左边缘实体煤壁为60m，3501采空区占模型长度90m，采空区90m以外对左侧煤壁的影响可以忽略不计，因此不用建在模型之内【2】。计算模型(mxng)如图1所示。图1 王庄(wn zhun)3#煤层开采模拟模型(mxng)图2.2 模型参数的选取为了客观的、真实的反映3#煤层开采时的矿山压力显现规律和对煤壁的影响，模型中岩石的赋存情况、岩性、厚度以及力学参数都应该参考实际参数，把煤层上下方分别20m范围内的岩层赋予相应的参数，模型中主要岩层的岩性、厚度以及力学参数见表1所列。表1 3#煤层顶底板赋存特征与力学参数岩性体积模量（GPa）切变模量（GPa）内摩擦角（）内聚力（MPa）抗拉

5、强度（MPa）密度(g.cm-3)层厚（m）细砂岩18.912.8488.65.92.435.3泥岩1.721.4540.71.83.362.684.763#煤1.520.79322.60.421.385.08砂质泥岩5.94.23883.22.662.36细砂岩21.46.931.228.61.142.562.2采空区0.460.19200.80.012.015.083 3501采空区周围煤体中支承应力分布情况首先模拟计算3501工作面回采之后采空区周围煤壁中支承应力分布情况，然后分别模拟3502回风顺槽分别布置在距采空区15m、20m、5m三种不同间距下采空区边缘煤壁中及巷道围应力第二次重

6、新分布情况，比较在三种不同煤柱留设尺寸下巷道破坏变形情况。 图2 3501采空区周围(zhuwi)煤壁中竖直应力云图从图2中可以看出，3501采空区煤壁中最大竖直应力(yngl)集中在采空区边缘右上角，距采空区边缘约6m左右(zuyu)，且最大竖直应力为24.6MPa，煤层开采前原岩地应力为9MPa，最大支承压力约是原岩应力的2.72倍，模拟得出的采空区支承压力曲线如图3所示。图3 3501采空区边缘煤壁中支承压力曲线由图3中可以看出：煤壁中支承压力在距3501采空区边缘7m处达到峰值24.6MPa，在25m以外支承压力趋近于原岩应力，采空区边缘0-7m支承压力迅速增大，在距采空区边缘15m处

7、支承压力为16MPa，约为原岩应力的1.78倍；距煤壁20m处支承压力为10MPa，接近原岩应力。从上图支承采空区边缘支承压力曲线可以看出：若巷道布置在距采空区边缘7m至20m之间处巷道所受到3501工作面采空区周围支承压力较大，巷道最难维护；巷道布置在20m以外，受到的采动影响很小。4三种不同煤柱尺寸下巷道围岩应力分布状况及对比分析模拟分析3502回风顺槽分别布置在距3501采空区边缘15m、20m和5m三种情况下巷道围岩应力重新分布特征及巷道围岩破坏情况。三种情况下巷道断面都按照工程实际情况开挖，巷道断面尺寸相同，在煤柱中间从巷道右帮到采空区边缘每隔1m布置一个监测点监测煤柱中支承应力分布

8、情况。4.1 巷道距采空区边缘15m时支承压力分布情况模拟(mn)分析3502回风(hu fn)顺槽距3501采空区15m开挖(ki w)后采空区和巷道周围支承压力二次分布情况，得出的竖直应力云图和支承压力曲线图如图6和图7所示。图6 15m煤柱时巷道围岩支承压力分布云图图7 15m煤柱中支承压力曲线图由图6和图7中可以看出，分别靠近巷道侧和采空区边缘4m处各出现两个支承压力峰值点，峰值分别为20MPa和26MPa，距巷道侧出现的峰值压力较小。根据矿山压力理论：这两个峰值点分别为煤柱与巷道和采空区边缘的弹性区和塑性区破坏区的分界点，两个峰值点以外的煤壁区域均受到不同程度的塑性破坏。留15m煤柱

9、时，煤柱集中承受了采空区边缘支承压力的作用，因此矿上压力显现比较剧烈，巷变形严重。4.2 巷道距采空区边缘20m时支承压力分布情况图8和图9留20m开挖时巷道围岩支承应力分布情况及支承应力曲线。图8 20m煤柱时巷道围岩支承压力分布云图图9 20m煤柱时煤柱中支承(zh chn)应力曲线图从图8和图9中可以(ky)看出，留设20m煤柱时煤柱中的支承(zh chn)压力峰值点明显靠近3501工作面采空区侧，3502回风顺槽受到采空区边缘支承压力影响较小，由于巷道围岩应力较小，有利于巷道的维护。4.3巷道距采空区边缘5m时支承压力分布情况如果为了提高煤炭回收率，考虑在3501采空区边缘留小煤柱掘进

10、巷道变形情况，模拟分析3502回风顺槽距3501采空区5m开挖时采空区和巷道周围支承压力二次分布情况，得出的支承应力云图和支承压力曲线图如图10和图11。图10 5m煤柱时巷道围岩支承压力分布云图图11 5m煤柱时煤柱中支承应力曲线图由图10和图11可知，在3501采空区边缘留设5m煤柱开挖巷道后，采空区边缘支承压力向煤壁深处转移，支承压力峰值点集中在巷道左侧距巷帮2.2m处的煤体中，最大支承压力峰值为20.1MPa。煤柱中最大支承压力峰值点位于煤柱中央，最大值为20MPa，从煤柱中间到两侧支承压力呈线性减小，整体上煤柱所承受的支承压力比留设15m煤柱时小。4.4 三种不同煤柱尺寸下支承(zh

11、 chn)应力及巷道塑性破坏情况对比分析通过(tnggu)对三种不同煤柱尺寸下巷道(hng do)围岩受力状况模拟分析，得出了3组煤柱中支承压力曲线，以及巷道围岩出现的塑性变形情况图。图12 三种不同煤柱尺寸支承压力曲线由图10中可以看出：留15m煤柱时煤柱中支承压力比20m煤柱时高5MPa左右，支承压力对巷道围岩稳定性影响较大，5m煤柱时煤柱中间最大支承压力峰值集中于一点，且最大支承压力峰值小于15m和20m煤柱时，5m煤柱时巷道围岩承载的支承压力较小，有利于巷道围岩的稳定。3种不同煤柱时巷道围岩塑性破坏状况见图13、图14和图15。图13 15m煤柱时巷道围岩塑性破坏区图图14 20m煤柱

12、时巷道围岩塑性(sxng)破坏区图图15 5m煤柱时巷道围岩(wi yn)塑性破坏区图由上图中可以(ky)看出：留设15m煤柱时巷道两帮塑性破坏区深度达到3m，巷道右帮破坏区面积明显大于左帮。由图14中可以看出：留设20m煤柱时巷道两帮塑性区深度为2m，巷道变形程度较小。留设5m煤柱时，巷道左侧煤壁塑性区深度达到3m，煤柱中煤体全部出现塑性破坏。巷道煤柱越小巷道围岩塑性区范围越大，5m煤柱时巷道围岩受到的支承压力较小，虽然前期出现塑性破坏，但巷道围岩所受到的支承压力较小，后期巷道变形也会较小。15m煤柱时，巷道围岩应力较大，在较大的支承压力下，巷道会出现持续的变形，不利于巷道的维护。20m煤时

13、，巷道受采空区到支承压力的影响很小，巷道围岩塑性区也较小，最有利于巷道的维护。5结论通过FLAC3D软件以王庄矿区地质条件为背景，模拟分析了3501采空区周围煤壁中支承压力分布情况，并且分别模拟分析了3502回风顺槽布置在距3501采空区15m、20m和5m三种不同煤柱尺寸下煤壁支承压力二次分布情况以及三种情况下巷道围岩应力分布及塑性破坏规律，通过定性定量的分析研判，现就王庄煤业对煤柱的设计及巷道的支护提出的结论及建议如下：1、3501采空区边缘(binyun)煤体中支承压力影响范围为0-25m，且支承(zh chn)压力峰值点出现在距采空区边缘7m处，在距采空区边缘(binyun)25m以外

14、逐渐趋于原岩应力。2、3501采空区支承压力影响范围之内竖直应力明显低于水平应力，水平应力峰值范围较大，距采空区5-15m范围内距是水平应力较高区，当巷道布置在此范围之内是对巷道帮部变形影响较大。3、若巷道布置在支承压力峰值区域影响范围内时，对巷道两帮及顶板应增加支护强度，增加围岩内聚力，提高承受外载的能力，控制巷道围岩变形程度，从而保证巷道围岩的稳定。当巷道与3501采空区之间留设煤柱较小时，巷道两帮塑性破坏区较深，巷道帮部支护应使用高预应力锚杆锚索，增大预紧力，增加锚杆锚固段长度，从而限制巷道两帮的变形程度。4、3501工作采场支承压力超前影响范围达到27m，3502回风顺槽在3501工作面推进过程中距工作面前后约40m范围内对巷道影响最剧烈。5、设计小煤柱掘进巷道时，把煤柱宽度限制在支承压力峰值点以内，最好留设35m煤柱，此时，巷道及煤柱承受的支承压力较小，有利于巷道的维护。参考文献：【1】宋振骐.实用矿山压力控制【M】. 徐州：中国矿业大学出版社，1988.【2】刘波，韩彦辉.FLAC3