沿空留巷窄小煤柱宽度尺寸设计

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摘 要：留设窄小煤柱沿空留巷技术使巷道处于应力降低区，可以大幅度降低巷道维护难度。基于某矿11201工作面地质条件，本文采用理论计算得到窄小煤柱合理尺寸为5m。运用FLAC3D数值模拟方法进行留设5m窄小煤柱进行分析，分析得到留设窄小煤柱5m宽度下，沿空巷道围岩应力低，顶底板变形量小，巷道稳定，确定煤柱宽度为5m。

1 工程概况

该矿10#煤层11201工作面为近水平煤层，煤厚2.3m。地面标高21.1m～24.4m，井下标高-322m～-325m。煤层顶底板情况见表1。沿空巷道净宽×净高为 5000mm×3000mm。巷道支护断面图见图1。

表1 煤层顶底板情况表

图1 巷道支护断面图

2 窄小煤柱合理尺寸理论计算

煤柱留设尺寸过大，一方面造.成国家煤炭资源的浪费，降低了回采率；另一方面有可能给下一组煤层的开采造成局部应力集中。所以对区段煤柱尺寸的留设原则是在能够维护巷道的前提下，尺寸应该尽量的小。 窄小煤柱宽度B计算见图2。

图2 煤柱宽度计算

煤柱宽度按下式计算

B=X1+X2+X3

其中

式中：

B――窄小煤柱宽度，m；

X1――回采巷道侧塑性变形区宽度，m；

X2――考虑安全系数设定的弹性核的宽度，按（X1+X3）（0.15～0.35） 计算；

X3――锚杆有效锚固长度，m。

根据该矿地质条件，上覆岩层的平均容重γ=0.025MN・m-3；巷道埋深H=340m；侧压系数A=0.3；应力集中系数K=2；煤层界面内聚力C0=0.693MPa；煤层界面的内摩擦角？准=380；巷道煤帮高度m=3m。

计算得到煤柱宽度为4.6m，考虑安全系数，最终确定窄小护巷煤柱尺寸为5m。

3 数值模拟分析

本文采用FLAC3D数值模拟软件，在建模过程中按照地质剖面图尺寸，模型中各煤岩层的物理力学参数见表1，所建立的三维模型的尺寸为280m×300m×98m，模型由112000个单元和119493个节点组成。数值模拟分析得到应力云图见图3-4，顶底板位移量云图见图5-6。

① 应力分析比较。

图4 垂直应力云图

图5 水平应力云图

沿空巷道的两帮出现应力集中区域，在采空区侧帮垂直应力值达到最大，为25MPa。顶底板水平应力呈两帮对称分布，在顶底板处出现应力集中，最大水平应力为18MPa，采空区侧帮水平应力应力值为16MPa。从应力角度分析，留设5m煤柱沿空巷道维护效果良好。

②位移量分析比较

图5 水平位移云图

沿空巷道底板垂直位移50 mm，顶板垂直位移100 mm。巷道采空区侧帮达到最大水平位移124 mm，两帮最大总水平位移量大约219 mm。从位移量分析留设5m煤柱，沿空巷道维护效果良好。

图6 垂直位移云图

4 结论

（1）结合该矿11201工作面地质条件，采用理论计算方法初步确定沿空留巷窄小煤柱宽度为5m。

（2）运用数值模拟方法进行5m窄小煤柱宽度沿空巷道稳定性分析，最终确定窄小煤柱宽度为5m。

参考文献

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