沿空掘巷不同煤柱宽度巷道围岩稳定性数值模拟

Abstract： Driving roadway along goaf can improve the rate of coal and economic benefits， so it is widely used in the country． Make the numerical simulation for the hollow digging roadway rock of diffierent coal pillars by Phase2 ， analyze and summarize the stress distribution law and the roadway surrounding rock disdetermine the appropriate coal pilplacement development law with the increasing of the coal pillar width， lar width， which is 5-10 m． The results show that Phase2 can make effectively simulation calculation about the driving roadway along goaf， and can provide the theoretical basis for the actual production． Key words： driving roadway along goaf； coal pillar： stress distribution； roadway deformation； numerical simulation 0 引言 沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一 ， 具有煤炭采出率高、 容易维护等诸多优点。 煤柱是 影响到回采引起的 沿空掘巷围岩的重要组成部分， 支承压力对巷道的影响程度， 其稳定性直接影响巷 道整体的稳定性。 大量研究结果表明， 煤柱宽度是 影响煤 柱 稳 定 性 和 沿 空 掘 巷 围 岩 稳 定 性 的 重 要 因素。 目前， 许多学者对沿空掘巷进行了大量研究。 柏建彪等对沿空掘巷窄煤柱的稳定性做了相关研
数值模拟模型参数
单元数 880 946 924 1 016 920 944 节点数 460 519 508 554 507 519 模型方向 竖直剖面 竖直剖面 竖直剖面 竖直剖面 竖直剖面 竖直剖面
模型长度 /m 模型宽度 /m 57. 5 58. 5 60. 5 62. 5 65. 5 70. 5 24. 5 24. 5 24. 5 24. 5 24. 5 24. 5
* 国家科技支撑计划（ 2012BAB08B06 ） ； 贵州省自然科学研究重点 项目（ 教科 2010003 ） ； 贵州省优秀科技教育人才省长资金项目（ 黔省 专合字（ 2011 ） 36 号） ； 贵州 省 高层 次 人 才 科 研 条 件 特 助 经 费 项 目 （ TZJF － 2010 年 － 044 号） ； 贵州省科技计划（ 工业攻关） 项目（ 黔科 合 GY 字（ 2011 ） 3063 ） ； 贵州省科技计划（ 社会攻关） 项目（ 黔科合 SY 字（ 2011 ） 3144 ）
图 4 不同煤柱宽度沿空掘巷巷道边界附近围岩总位移曲 线图
再减小的趋势， 前者在煤柱宽度 10 m 时最大， 后者 在煤柱宽度 5 m 时最大； 巷道的总体位移量总体呈 增加趋势， 煤柱宽度 10 m 时最大。合适的煤柱宽度 为5-10 m； （ 3 ） Phase2 能够有效地进行沿空掘巷数值模拟 计算， 可为实际生产提供理论依据。
刘增辉等研究了采掘扰动对沿空掘巷围岩的影 究， 响， 郑西贵等研究了采掘过程中不同沿空掘巷不同 宽度煤柱内部应力分布。 本文在已有理论成果的基础上， 采用有限元软 件 Phase 对留设不同宽度煤柱的沿空掘巷的巷道 变形进行数值模拟， 对沿空掘巷不同煤柱宽度巷道 围岩的应力分布及变形进行分析， 以期对实际生产 中的巷道维护、 围岩控制提供依据。 1 数值模拟及模型参数 模拟沿空掘巷巷道断面为矩形， 尺寸 4. 5 m × 3. 5 m， 3、 5、 7、 10 、 15 m。 模型采 煤柱宽度分别为 2 、 定义边界约束条件 用 3 节点三角形单元划分网格， 及施加载荷， 采用摩尔 － 库伦破坏准则进行开挖模 拟计算。模型考虑岩体初始应力及水平应力， 计算 简化为平面应变问题， 计算过程中施加岩体初始应
沿空掘巷不同煤柱宽度巷道围岩稳定性数值模拟
陈
2， 3， 4 2， 3， 4 2， 3， 4 ， ， 洲1 ， 左宇军1 ， 文排科1 ，
*
（ 1. 贵州大学 矿业学院， 贵阳 550025 ； 2. 贵州大学 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵阳 550025 ； 3. 贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室， 贵阳 550025 ； 4. 复杂地质矿山开采安全技术工程中心， 贵阳 550025 ）
摘
2 要： 沿空掘巷能够 提 高 煤炭 采 出率 和 经济 效 益， 在 全国 范围内 被 广 泛 应用。 通 过 Phase
对不同煤柱宽度的沿空掘巷巷道围岩稳定性进行 数值 模拟， 分析 总 结 了 随 煤 柱 宽 度 增加巷 道 围 岩 Phase2 能 的应力分布 规律 及 巷 道 围 岩 位 移 发展 规律， 确 定 合 适 的 煤 柱 宽 度 为 5-10 m。 结果表 明， 够有效地进行沿空掘巷数值模拟计算， 可为实际生产提供理论依据。 关键词： 沿空掘巷； 煤柱； 应力分布； 巷道变形； 数值模拟
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Vol. 33No. 12
— —陈 洲， 沿空掘巷不同煤柱宽度巷道围岩稳定性数值模拟— 等
第 33 卷第 12 期
力 12. 5 MPa， 水平应力 6. 5 MPa。 模型尺寸及参数 模型中各岩层力学参数如表 2 所示， 建 如表 1 所示， 立模型如图 1 所示。
表1
模型 2 m 煤柱 3 m 煤柱 5 m 煤柱 7 m 煤柱 10 m 煤柱 15 m 煤柱
平在煤柱宽度 7 m 时最大； 顶底板应力水平呈先增大 后减小， 再增大的趋势， 总体呈随煤柱宽度增大而增加 采空区上覆 的趋势。这是由于邻近区段回采完毕后， 岩层活动趋于稳定， 采空区附近煤体处于极限平衡状 态下煤体的残余支承压力分布， 沿空掘巷使得平衡打 破， 煤柱受破坏形成破碎区而卸压， 应力水平明显降 低； 而巷道另一侧的煤体同样受到破坏而出现了新的 使得应力水平同样降低。巷道掘进 破碎区和塑性区， 后， 顶底板附近原先处于三轴压缩状态的岩体由于径 向应力的消失， 引起内部应力状态变化， 岩体内部裂隙 随着时间的推移而逐渐变得脆弱， 进一步向深部发育， 以致顶板下沉和地板鼓起， 所以应力较为集中， 应力水 平较高。 2. 2 巷道围岩变形 图 4 为不同煤柱宽度沿空掘巷巷道边界附近围
2， 3， 4 2， 3， 4 2， 3， 4 CHEN Zhou1， ， ZUO Yujun1， ， WEN Paike1，
百度文库
（ 1. Mining College， Guizhou University， Guiyang 550025 ， China； 2. Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Guiyang 550025， China； 3. Guizhou Engineering Lab of Mineral Ｒesources， Guiyang 550025， Nonmetallic Mineral Ｒesources， China； 4. Engineering Center for Safe Mining Technology under Complex Geologic Condition， Guiyang 550025 ， China）
图1
数值模拟模型
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计算结果及分析 巷道围岩应力分布 图 2 为不同煤柱宽度沿空掘巷巷道边界附近应
图 3 巷道两帮及断面四角应力值曲线图
2. 1
力值曲线图， 其以图 1 中 a 点为横坐标轴零点， 以逆 横坐标轴最后一点为 时针方向为横坐标轴正方向， 图 1 中 e 点。图 3 为不同煤柱宽度巷道两帮及拐角 应力值曲线图。图 2 中， 应力曲线从左至右 4 个应 c、 d、 e 点的应力值。 沿空掘 力峰值分别为图 1 中 b、 巷后， 巷道两帮的煤柱与煤体中出现应力降低区 ， 应 力水平较低； 而在巷道断面的四角及顶底板附近出 现明显应力集中。 随着煤柱宽度增大， 巷道断面四角应力集中现象 越加明显， 应力水平总体呈增高趋势， 顶底板应力水平 有一定降低趋势。 在煤柱宽度增加至一定值后， 由图 3 可知， 随着煤柱宽度增大， 巷道煤柱帮与实 体帮的应力水平呈先减小后增大， 而后再减小的趋势， 其中煤柱帮应力水平在煤柱宽度 10 m 时最大， 实体帮 应力水平在煤柱宽度 5 m 时最大； 巷道断面四角应力 集中水平呈先减小后增大， 而后再减小的趋势， 应力水 — 62 —
表2
岩性 砂质泥岩 煤 细砂岩 弹性模量 /MPa 31 000 6 000 40 000
岩体力学参数
内聚力 /MPa 4 1. 7 8
泊松比 抗拉强度 /MPa 摩擦角 / （ ° ） 0. 28 0. 3 0. 26 3. 16 4. 5 3. 9 46. 5 48. 5 35. 6
图 2 不同煤柱宽度沿空掘巷巷道边界附近应力值曲线图
煤 炭 技 术 Vol． 33No． 12 Dec． 2014 Coal Technology doi： 10. 13301 / j. cnki. ct. 2014. 12. 022
第 33 卷第 12 期 2014 年 12 月
+ 中图分类号： TD322 . 4
文献标志码： A
文章编号： 1008 － 8725 （ 2014 ） 12 － 0061 － 03
Numerical Simulation of Surrounding Ｒock Stability of Different Pillar Widths for Driving Ｒoadway along Goaf
参考文献：
［ 1］朱若军， 郑希红， 徐乃忠． 深井沿空掘巷小煤柱合理宽度留设数 2011 ， 7 （ 2 ） ： 300 － 305 ， 值模拟研究［J］． 地下空间与工程学报，
图 5 围岩总位移曲线图
310． ［ 2］张科学． 深部煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定［J］． 煤 2011 ， 36 （ S1 ） ： 28 － 35． 炭学报， ［ 3］ 王德超， 李术才， 王琦， 等． 深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽 2014 ， 33 （ 3 ） ： 539 － 548． 度试验研究［J］． 岩石力学与工程学报， ［ 4］柏建彪， 侯朝炯， 黄汉富． 沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2004 ， 23 （ 20 ） ： 3 475 － 3 479． ［ 5］刘增辉， 高谦， 华心祝， 等． 沿空掘巷围岩控制的时效特征［J］． 采 2009 ， 62 （ 4 ） ： 465 － 469． 矿与安全工程学报， ［ 6］郑西贵， 姚志刚， 张农． 掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分布研 J］ ． 采矿与安全工程学报， 2012 ， 29 （ 4 ） ： 459 － 465． 究［ 作者简介： 陈洲（ 1989 － ） ， 贵州岑巩人， 硕士研究生， 主要从 事矿山动力灾害防治的研究工作， 电子信箱： 15085968841@ 163． com； 通讯作者： 左宇军， 电子信箱： zuo_yujun@ 163． com．
第 33 卷第 12 期
— —陈 洲， 沿空掘巷不同煤柱宽度巷道围岩稳定性数值模拟— 等
Vol. 33No. 12
总位移量。综合不同煤柱宽度沿空掘巷巷道的位移 随着煤柱宽度增大， 巷道两帮及顶底板的 曲线可知， 位移量也随之变化； 巷道煤柱帮与实体帮位移量呈 先增大后减小的趋势， 煤柱帮位移量在煤柱宽度 510 m 时最大； 实体帮位移量在煤柱宽度 5 m 时最 大； 巷道的总体位移量总体呈增加趋势 ， 巷道两帮的 位移大于顶底板的位移。 3 结语 （ 1 ） 沿空掘巷后， 巷道两帮应力水平较巷道顶 底板应力水平小， 巷道四角明显应力集中， 巷道两帮 位移量较巷道顶底板位移量大； （ 2 ） 随着煤柱宽度增加， 巷道煤柱帮与实体帮 而后再减小的趋势， 其 的应力水平呈先减小后增大， 中前者在煤柱宽度 7 m 时最大， 后者在煤 柱 宽 度 5 m时最大， 巷道断面四角应力集中水平呈先减小 后增大， 而后再减小的趋势， 煤柱宽度 7 m 时最大， 巷道煤柱帮与实体帮位移量呈先减小后增大 ， 而后