矿井边界煤柱对上部煤层回采巷道影响程度分析

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摘要： 恒源煤矿459工作面处于矿井边界，受下部6煤回采及边界煤柱影响，巷道在掘进过程中维护困难。采用数值计算研究方法，为巷道加强支护提供了理论依据。

Abstract： Hengyuan coal mine 459 working face is in mine boundary， it is influenced by the lower 6 coal recovery and boundary pillar， the maintenance of mine roadway is difficult in the excavation process. Through the method of numerical calculation， it provides the theoretical basis for strengthening the supporting of roadway.

关键词： 边界煤柱；应力集中；弯曲下沉

Key words： boundary coal pillar；stress concentration；bend down

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）34-0092-02

1 工程地质条件

恒源煤矿459工作面风巷标高-328.8m～-512.0m，巷道整体处在恒源矿及新庄矿6煤回采后形成的弯曲下沉带内，4、6煤垂距90m左右，下部6煤开采完毕，且覆岩运动已基本稳定；同时45巷位于矿井边界煤柱正上方，受两矿留设的各30m煤柱引起的应力集中影响，在掘进过程中围岩变形严重，前掘后修，严重威胁巷道安全。

2 边界煤柱影响程度计算分析

2.1 模型建立 通过离散元数值计算软件UDEC3.1对6煤边界煤柱对45巷的影响程度进行计算分析。采用平面应变模型假设，模型应用BLOCK命令生成，应用CRACK命令划分各个岩层，应用JSET命令模拟岩体节理。计算模型采用矩形进行计算，整个模型宽800m，包括两侧各留设70m边界煤柱、恒源矿及新庄矿6煤采空区各250m，边界煤柱共60m；高度为从6煤层底板50m至地表共300m。采用Mohr-Coulomb本构模型，应变模式采用大应变变形模式，模型底部限制垂直移动，模型前后和侧面限制水平移动。

2.2 力学参数的选取 模拟计算采用的煤和岩体的力学参数由表1给出，同时煤岩体中的结构面和节理的分布形态和不连续面的力学强度参数的确定见表2。模型块体的本构关系采用莫尔-库仑准则，节理面的本构模型选用面接触的库仑滑移模型。

两个块体接触，当弹性模量为E，泊松比为μ，则法向刚度系数Kn为：Kn=（Ea）/2b。式中：a，b——块体的尺寸。切向刚度系数Ks可由法向刚度系数Kn求得：Ks=Kn/[2（1+μ）]。计算采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏：fs=σ1-σ3■-2c■。式中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，c，φ分别是粘结力和摩擦角。

2.3 计算结果分析

2.3.1 6煤回采后上覆围岩变形及应力分布特征 随着远离6煤顶板，垂直应力峰值集中程度逐渐降低；同时6煤顶板不同深度内垂直应力峰值形态由双峰型转变为单峰型。提取6煤顶板至45巷中轴竖直方向的不同深度内的应力值（对应于实际中恒源矿与张庄矿边界煤柱侧30m，即45巷位置），并与各个点原岩应力值对比可得，在6煤顶板10m深度应力集中系数2.94，30m深度应力集中系数2.64，50m深度应力集中系数2.01，70m深度应力集中系数1.78，90m深度（即45巷位置）应力集中系数1.67。

2.3.2 巷道开挖后围岩变形 图2为巷道开挖后围岩位移云图，结合表3巷道围岩变形统计，45巷在目前的支护情况下顶底板移近量380mm左右，两帮370mm左右，同时巷道顶底板位移云图不对称，分别向左上、右下方移动，这表明巷道受到下部6煤回采后上覆岩层移动的大环境影响。

2.4 小结 ①6煤回采后，顶板岩层不同深度内垂直应力峰值由双峰型转变为单峰型，且随顶板高度加大垂直应力峰值集中程度逐渐降低，45巷位置应力集中系数1.67，是引起该巷道维护困难的根本原因。②6煤回采后，顶板覆岩产生了大范围的沉降，最大下沉值出现在恒源煤矿及新庄煤矿6煤采空区正上方，4煤整体下沉了2296mm，在45巷位置，下沉值1904mm；受60m边界煤柱影响，采空区上覆岩体岩层移动角约为72°，45巷处于该影响区内。③受6煤采空区覆岩移动影响，45巷顶底板位移云图表现为不对称特征，支护体易受剪，给巷道支护带来一定影响。

3 现场试验

恒源煤矿45巷断面为3800×2400mm，断面积9.12m2。采用锚梁网支护，统一使用Φ20×2000mm锚杆，顶板锚杆间排距800×900mm，两帮锚杆间排距700×900mm；顶板锚索参数为Φ17.8×6000mm，间排距1800×1600mm。为了监测巷道围岩的稳定状况及评价所采取的支护结构与支护参数是否满足巷道稳定的需要，巷道施工过程中进行了巷道表面位移观测及离层监测。

巷道围岩变形观测结果如图3所示，经过90天观测顶底板移近量440mm，两帮变形量546mm，与数值计算结果接近，巷道围岩变形剧烈，说明受边界煤柱影响较大。为保证巷道施工安全，根据数值计算结果，在后续施工中及时采取了加强支护措施，取得了良好的支护效果。

4 结论

通过分析恒源煤矿45巷巷道围岩地质条件，采用离散元数值计算软件对该巷道进行了计算分析，得到了该巷道受下部6煤回采及边界煤柱的影响程度与范围，现场监测结果证明得到的结论是合理的，给巷道加强支护提供了理论依据。

参考文献：

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