放工作面沿空巷道保护煤柱稳定性的数值分析.pdf

1 综放工作面沿空巷道保护煤柱稳定性的数值分析综放工作面沿空巷道保护煤柱稳定性的数值分析 冯梅梅 1, 茅献彪1, 徐金海21 （1．中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221008； 2．中国矿业大学 能源与安全工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要摘要针对汝箕沟矿某综放面沿空巷道的围岩条件与结构特点，建立了相应的力学模型，并利 用岩土工程数值分析软件 FLAC4.0，对保护煤柱的稳定性进行了数值模拟，分析了保护煤柱宽 度对综放沿空巷道围岩变形和应力分布的影响，由此得到了沿空巷道保护煤柱的合理宽度，为 沿空掘巷技术煤柱宽度合理选择提供参考。 关键词关键词综放工作面；沿空巷道；保护煤柱；围岩变形；应力分布 Numerical Analysis on the Stability of Safety Pillar in Gob Side Entry in Fully Mechanized Mining with Top Coal Caving Face Feng Meimei1, Mao Xianbiao1, Xu Jinhai2 1.School of Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China. 2.School of Mining and Safety Engineering ,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract Based on the conditions and structure characteristics of the strata stability around gob side entry in fully mechanized mining with top coal caving face in Rujigou coal mine, the mechanical model is established to simulate the stability of safety pillar by the numerical analysis software for geotechnical engineering FLAC4.0. The influence of the width of safety pillar on the deation and stress distribution of surrounding rock around gob side entry in fully mechanized mining with top coal caving face is analyzed to obtain the rational width of safety pillar around gob side entry, which provides a reference for the reasonable selection of coal pillar width in the technology of driving roadway along goaf. Key words fully mechanized sub-level caving face, gob side entry, safety pillar, surrounding rock deation, stress distribution 1 引 言 1 引 言 综合机械化放顶煤技术 [14]已经广泛应用于大型矿区长壁开采中,并取得了显著的经济 效益。大多数矿井在本采区和临近采区工作面之间，开挖一条巷道作为通风巷，保证临近工 作面的正常生产。但是为了使风巷处于良好的维护状况，往往采用留设15～20m大煤柱的方 法，来保证工作面风巷的稳定，这不仅造成了煤炭资源的浪费，而且目前已发现，工作面设 煤柱的宽度因矿区不同、煤层覆存条件不同而不同，因此需要有根据地合理选择煤柱宽度。 基金项目国家自然科学基金重大项目（50490270） ，国家杰出青年科学基金项目（50225414） ， 作者简介冯梅梅（1979） ，女，山东禹城人，博士研究生，助教。Tel13852470662, 0516-3885058, E-mailfm7906 2 以前，比较常用的研究方法主要有相似材料试验和现场工业性试验，但是花费比较大，周期 比较长，取数比较困难，往往不能满足生产需要。近年来，随着计算机技术的发展，一些大 型数值模拟程序软件应用于采矿工程中，如FLAC、UDEC、ANSYS和RFPA等数值软件 [5,6]。数值 模拟则以其花费小，可以模拟复杂介质和边界等有利条件，广泛应用于一系列工程设计中， 并取得了显著的经济效益。本文以汝箕沟矿某工作面为例，应用FLAC4.0进行数值模拟分析 不同宽度的煤柱对巷道围岩变形和应力分布的影响，以确定沿空巷道留设煤柱的合理宽度。 2 保护煤柱数值模拟方案 2 保护煤柱数值模拟方案 2.1 工程地质概况 汝箕沟矿某工作面埋深350～410m,所采煤层厚度为10～13m， 平均煤层厚度12m， 煤层倾 角167，煤层单轴抗压强度为14.8MPa，直接顶是厚度为9m的砂质泥岩-细砂岩,灰黑色， 较硬，单轴抗压强度为128.7MPa；直接底是厚度为4m的粉砂岩，灰白色，致密坚硬，单轴抗 压强度为60.72MPa。采煤工作面采用走向长壁、综放机械化开采。 2.2 保护煤柱数值计算模型 根据工作面要求，按照该工作面的地质概况，在采空区一侧留设保护煤柱，选择合理的 煤柱宽度，预掘通风巷。这个问题属于二维问题，忽略煤层倾角，建立相应的力学模型，如 图1所示。几何尺寸为m160m192，其中通风巷所在的一层为煤层，巷道左侧为采空区， 右侧为将采工作面。数值模拟主要是确定通风巷与采空区之间留设煤柱的合理宽度。 图1 保护煤柱数值计算模型 Fig.1 Numerical model of safety pillar 由力学理论可知， 模型左右可近似为无穷远处的固定边界， 下部视为铅垂方向的简支约 束，上部为基岩层自重作用近似等效的均布载荷Hqγ，这里， 2 m/kg0002γ， m320H，即MPa4 . 6q。工作面围岩物理力学性能参数如表1所示。为了比较计算结 果，模型的总体尺寸保持不变，各层的岩性参数也保持不变。根据工作面围岩性质，可选留 设煤柱宽度分别为3m，5m，8m，10m，12m和15m六种情况进行模拟分析。 3 表1 工作面围岩物理力学性能参数 Table 1 The lithological feature and mechanical property 序号 岩石名称 厚度 /m 弹性模量 /MPa 密度 /kgm-3 抗压强度 /MPa 内摩擦角 / 内凝聚力 /MPa 泊松比 1 覆岩 79 35000 2000 56 32 20 0.24 2 老顶，粗砂岩 12 30000 2590 134.8 31 28.9 0.25 3 直接顶，细砂岩 9 40000 2570 128.7 29 40.47 0.28 4 煤 12 2000 1380 14.8 20 45 0.25 5 直接底，粉砂岩 4 40000 2620 60.72 29 40.26 0.28 6 老底，中砂岩 76 32000 2500 51.03 25 20.45 0.25 3 数值模拟结果分析 3 数值模拟结果分析 通过数值模拟对六种不同宽度的保护煤柱情况下的巷道围岩变形和应力分布进行分析 比较，得出其变化规律，为合理选择煤柱宽度提供参考。 3.1 通风巷位移随煤柱宽度变化规律 为了能够比较客观地反映巷道围岩的变形规律 [7]， 选择巷道顶板中点的下沉量作为顶板 下沉量，两帮中点的相对移近量作为两帮移近量进行比较。图2、图3分别是顶板下沉量和两 帮移近量随煤柱变化规律曲线。可知,巷道顶板下沉量在煤柱尺寸较小时增加最大，煤柱宽 3m时,顶板下沉量为68.65mm，随着煤柱宽度增大,下沉量变化趋势明显变小。而两帮移近量 在煤柱宽度5m～10m范围内变化趋势较缓,在煤柱宽度10m～15m范围内变化趋势有所增大； 两 帮移近量中，右帮的贡献较左帮大，这主要是因为巷道右侧受到载荷作用的缘故。 图2 顶板下沉量随煤柱宽度的变化 图3 两帮移近量随煤柱宽度的变化 Fig.2 The subsidence of roof with the changing Fig.3 The displacement of side-to-side with the of coal pillar width changing of coal pillar width 3.2 通风巷围岩应力分布规律 应力分布云图能够很形象地看出巷道围岩应力分布情况， 由于篇幅限制， 这里只选择了 保护煤柱宽度为 3m 和 5m 两种结果进行分析比较。图 4、图 5、图 6 和图 7 分别是两种煤 柱宽度模拟结果的最大主应力分布云图、水平应力 xx σ分布云图、剪切应力 xy σ分布云图和 垂直应力 xx σ分布云图。 4 a 3m 煤柱 b 15m 煤柱 图 4 最大主应力分布云图 Fig.4 The nephogram of maximum principle stress a 3m 煤柱 b 15m 煤柱 图 5 水平应力 xx σ分布云图 Fig.5 The nephogram distribution of xx σ a 3m 煤柱 b 15m 煤柱 图 6 剪切应力 xy σ分布云图 Fig.6 The nephogram of shear stress distribution xy σ 从应力分布云图中可以看出，煤柱宽度较小时，其各种应力峰值位于巷道右上方；随着 煤柱宽度的增大，各种应力峰值逐渐向巷道上方偏移。上覆煤岩体的重量基本上都作用在 巷道顶部， 因而顶压大， 顶部变形大， 而侧向变形相对较小， 巷道右侧侧向变形比左侧的大。 5 a 3m 煤柱 b 15m 煤柱 图 7 垂直应力 yy σ分布云图 Fig.7 The distribution nephogram of yy σ 3.3 综放面沿空巷道宽、窄煤柱的定义 石平五、 许少东等在 综放沿空掘巷矿压显现规律研究 一文中从大小结构的原理出发， 提出了“窄煤柱”和“宽煤柱”的力学模型 [4]，指出窄煤柱以宽3～5m为宜，而大煤柱宽度 则为10～15m，其分类对于该工作面无煤柱开采护巷方案具有一定的科学指导意义。 本文根据数值模拟结果，将保护煤柱按照沿空煤巷的用途，根据不同宽度进行分类如 果该巷道仅仅用作通风巷道，不考虑其它用途，在5m以下的煤柱可视为窄煤柱；10m以上的 煤柱则为宽煤柱。如果该巷道除了用做通风以外，还用做运输通道，8m以下的煤柱就可视为 窄煤柱，相应地宽煤柱宽度也有所增加。也就是说，通风巷这种变形程度不会影响工作面正 常运作的留设煤柱应该用窄煤柱，其他情况则要用宽煤柱。宽、窄煤柱的宽度没有固定数值 限制，具体情况具体分析。因此，对于本文所研究的工作面，其沿空巷煤巷的保护煤柱应该 选用5m左右的窄煤柱。 4 结论 4 结论 （1） 巷道顶板下沉量在煤柱尺寸较小时增加最大， 随着煤柱宽度增大,下沉量变化趋势 明显变小。而两帮移近量在窄煤柱内变化趋势较缓,在宽煤柱范围内变化趋势有所增大；两 帮移近量中，右帮的贡献较左帮大，这主要是因为巷道右侧受到载荷作用的缘故。 （2）煤柱宽度较小时，其各种应力峰值位于巷道右上方；随着煤柱宽度的增大，各种 应力峰值逐渐向巷道上方偏移。 （3）上覆煤岩体的重量基本上都作用在巷道顶部，因而顶压大，顶部变形大，而侧 向变形相对较小，巷道右侧侧向变形比左侧的大。 （4）宽、窄煤柱的宽度没有固定数值限制，具体情况具体分析。对于本文所研究的工 作面，其沿空巷煤巷（通风巷）的保护煤柱应该选用5m左右的窄煤柱。 （5）保护煤柱合理的煤柱尺寸是保证技术上合理、经济上有利、安全上可靠的关键， 采用煤柱护巷可使用现有的锚杆支护设计，它能起到加固围岩的作用。对于这方面的内容， 会在后续研究中进行。 6 参考文献参考文献 [1] 谢文兵, 笪建原, 冯光明. 综放沿空留巷围岩控制机理[J]. 中南大学学报, 2004, 35（1） 657-661 [2] 张东升, 茅献彪, 马文顶. 综放沿空留巷围岩变形特征的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 213 331-334. 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