沿空掘巷区段煤柱尺寸留设探究

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1、沿空掘巷区段煤柱尺寸留设探究　　中图分类号：P57文献标识码：A文章编号：1007-0745（2013）09-0078-02摘要：针对某矿1726工作面回采期间巷道变形量大，矿压显现剧烈等问题，采用理论分析与FALC3D对不同煤柱尺寸应力场分布规律进行了研究，得出了1726面与1728工作面区段煤柱的合理尺寸，为矿井煤层开采沿空掘巷窄小煤柱合理留设提供了理论和数据支持。关键词：沿空掘巷区段煤柱合理尺寸煤柱留设一直是煤矿中传统的护巷方法，为使下区段平巷避开固定支承压力峰值区，在上区段运输平巷和下区段回风

2、平巷之间留设一定宽度的煤柱，是传统的留煤柱护巷方法.大量实践表明，煤柱尺寸的大小关系到回采巷道受动压破坏的程度。合理的煤柱尺寸不仅减小巷道的变形，而且可以减小巷道维护工程量，同时还可以节约煤炭资源。5国内外学者对煤柱合理尺寸确定的方法进行了很多研究，主要集中在：1）通过运用经验公式结合矿山压力特点，对煤柱合理的尺寸留设煤柱尺寸的方进行研究；2）运用现场实测煤柱支承压力分布规律确定区段煤柱合理宽度；3）根据煤岩体的极限平衡理论，推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式4）用有限元计算软件对煤柱护巷的围

3、岩变形进行计算分析，确定煤柱合理尺寸；5）从采用极限平衡理论和弹塑性力学手段估算推导煤柱塑性区宽度的公式。本文以某矿1726工作面与1728工作面沿空掘巷区段煤柱为研究对象采用数值模拟与理论分析得出区段合理煤柱尺寸。1工作面概况某矿1728工作面上方地表位于井田北部，工业广场东南侧约600m。该工作面为36采区第3个回采工作面，上部为正在回采的1726工作面，下部为17210工作面（正在准备）该工作面采用走向长壁后退式开采方法，一次采全高综采开采工艺。该工作面回风顺槽与上区段1726工作面间的区段煤柱

4、宽度为5m。两巷在工作面回采过程中，变形量非常大，给回采和巷道维护工作带来很大困难。2沿空掘巷煤柱理论分析地下工程的开挖，煤柱周边就会出现不同程度的塑性破坏。对于区段平巷的护巷煤柱，采空区侧和回采巷道在煤柱两侧分别形成一个宽度为R0与R的塑性变形区，当煤柱两侧形成的塑性区宽度R0与R之和大于煤柱宽度B时，也就是煤柱两侧形成的塑性区相贯通时，煤柱将失稳并发生破坏。因此，小煤柱的沿空掘巷不发生失稳基本条件是：5煤柱两侧发生塑性变形后，塑性变形区没有相互贯通，煤柱中央保持一定宽度的弹性核且处于弹性应力状态。

5、根据极限平衡理论：R0=■ln■R=βr■2式中：m为煤层开采厚度，取3.5m；c为煤体交界面黏聚力，取6MPa；λ为侧压系数λ=μ/（1-μ），其中μ为泊松比，取0.3，则λ=0.5；K为回采引起的应力集中系数，按实测最大值1.8计算；p为支架对煤帮的阻力。为煤体交界面内摩擦角，取35°；γ为上覆岩层平均容重，取25KN/m3；h为开采深度，取600m；β取1.6，r为巷道半径2m；σ为巷道的水平力，σ=λγh；经计算，巷道侧塑性区宽度4.6m，采空区侧塑性区宽度R0=3.2m，煤柱高度3m则区段煤

6、柱宽度B≥R0+2h+R=13.7m。3煤柱宽度数值模拟分析为确定合理的煤柱宽度，本文利用有限差分程序FLAC3D进行数值模拟。采用煤柱宽度分别为8、12、12、16等4个方案进行模拟。3.1模型建立建立FLAC3D三维计算模型，以某矿1728工作面和1726工作面地质和开采技术条件为背景，进行数值模拟。模型沿倾斜宽150m，模型建立高度100m。沿走向长200m，模型中包括煤层及顶底板岩层，煤层厚度3.5m，三维模型共划分有3260005个三维单元，共378720个节点，模型上部施加垂直载荷模拟上覆

7、岩层的重量，底面限制垂直移动，模型侧面限制水平移动。3.2数值计算分析煤柱应力分布如图1所示。（a）8m煤柱（b）10m煤柱（c）14m煤柱（d）16m煤柱图1不同煤柱宽度垂直应力分布由图1分析得到不同宽度时煤柱破坏规律：（1）煤柱宽度为14m时，煤柱沿煤层面方向破坏较小，塑性开展区只在煤柱边缘附近，当煤柱宽度大于14m时，煤柱越宽，煤柱未被破坏的范围就越大，法向破坏高度就越低，因此煤柱就越稳定。（2）煤柱宽度为8m时，塑性开展区贯穿整个煤柱，煤柱沿煤层面方向几乎完全破坏，此时煤柱内基本不存在弹性区，

8、煤柱强度急剧降低，不能有效保证工作空间及生产安全；煤柱宽度为10m时，塑性开展区占煤柱宽度一半以上，此时煤柱内存在一定范围的弹性核，不能完全有效保持巷道围岩的稳定性。（3）当煤柱宽度从8m、10m时，煤柱全部进入塑性状态，区段煤柱内的应力分布呈现单峰状。当煤柱宽度为14m、16m、高于极限值后，煤柱需要承受的支承压力较大，煤柱内应力水平较高，随着煤柱宽度的减小到极限值时，煤柱已无法承受来自顶板的支承压力，就会发生失稳和破坏。5（4）当煤柱宽度为16m时，