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[摘 要]翟镇煤矿三采集中下山布置在4煤层中，受到2、4煤层的开采，集中下山会受到多次采动影响，为了控制集中下山的变形、确保其服务年限，需掌握围岩变形及应力分布规律，从而确定下山保护煤柱的留设尺寸及支护方式。本文以1401E工作面为背景，采用数值模拟软件分析回采完毕后，集中下山在不同保护煤柱条件下受采动影响的应力应变情况，从而为保护煤柱最优尺寸留设提供了理论依据。
[关键词]集中下山 围岩变形 保护煤柱 应力集中系数
中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0051-01
1.概况
翟镇煤矿三采区2、4煤层属于缓倾斜中厚煤层，平均间距约为20m，采用上下山联合准备方式。其中轨道下山、回风下山布置在4煤层中，运输下山在4煤层底板中。轨道下山与回风下山间距35m，回风下山与运输下山相距10m，运输下山距煤层底板10m。
1401E工作面在三条下山的东侧，开采上限标高为-194.6m，下限标高为-218.4m。走向长约412m，倾斜宽196m，工作面基本为单斜构造，地层走向74°～90°，倾向164°～180°，煤层倾角平均6°，煤厚平均2.8m。煤层老顶岩性为灰白色粉砂岩，平均厚13米，以石英为主，钙质胶结、较硬，f=3.0；直接顶为黑色粉砂岩及煤4上分层，厚度平均6.2米，含1-3层煤4上分层，是典型的复合顶板，各分层间夹矸厚度不均一，f=3.0。直接底为灰黑色粉砂岩，厚度平均1.4米，含大量根部化石。老底为细砂岩，厚度平均4.8米，局部地段底部含一层煤4下分层，厚度约0.4米，浅灰色，以石英为主，钙质胶结，层理发育。
2.模型建立
模拟主要对针对三条下山巷道，同时模拟过程兼顾2、4煤层的开采影响。4煤层的推进距离约为400m，考虑到边界效应，模拟方案的范围取600 m（宽）×104 m（高）。模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移；下部边界限制y方向的位移；模型上部则采用应力边界，将未模拟的上覆岩层以均布载荷的形式施加在上表面上。
对于煤体，单元最大边长不大于3 m，其他各岩层单元按与煤层的远近，适当划分。为提高计算精度，在煤层以及巷道附近的块体及单元较小，而关键层处的块体及单元较大。
3.巷道变形及应力数值模拟结果
3.1 二煤采后围岩变形及应力分布
2煤层开采后，会对底板岩层形成应力扰动，下山处的垂直应力集中系数略有升高，约为1.5左右；水平应力在数值上大于垂直应力，集中系数约为1.4-1.6；巷道变形量很小，仅在个别节点位置出现了小于50mm的位移；且塑性区不发育。这反映了上煤层开挖对下山的影响极为有限，上煤层开挖后下山不用做额外维护。
3.2 四煤采后巷道变形及应力分布
4煤推进250m后，在工作面前方造成了较大的垂直应力集中，集中系数达到了3～4左右。而整个开采区域的水平应力则有所降低，说明煤体开采提供了一定的应力释放空间，在一定程度上使水平应力得到释放。由于工作面距离下山有150m，煤层开采造成的矿压显现不明显，下山区域应力应变情况基本与2煤开采完毕后相同。
推进320m后，在工作面前方造成了较大的垂直应力集中，但小于工作面推进到250m时的集中系数，约为2～3左右。整个开采区域的水平应力与开采前相比有所降低，但在个别区域出现了较大的集中。由于工作面距离下山有80m，煤层开采造成的矿压在下山上方较远处岩层中有所显现，但对下山附近的岩层基本没有影响，此时，下山围岩节点的位移量小于100mm，下山状况良好。
推进350m后，工作面距离下山50m，工作面前方应力集中区域已经波及到下山煤柱，回风、轨道下山附近的垂直应力集中系数达到了1.6左右，但水平应力基本在原岩应力。此外，巷道围岩的变形量有所增加，在下山巷道中部分节点位移量到达130mm，但塑性区没有发育，显示此时下山有一定变形量，但日常维护量不大，可以正常使用。
推进370m后，由于工作面距离下山为30m，工作面前方垂直应力峰值区域已经覆盖下山区域，回风下山和轨道下山附近的垂直应力集中系数达到了2.5左右。此外，巷道围岩的变形量有所增加，在轨道下山中部分节点位移量达到160mm。在下山附近的岩层中塑性区比较发育，显示由于超前压力的影响，煤层的变形已经处在塑性阶段。如果留设煤柱尺寸为30m，那么下山的变形将比较剧烈，维护工作将大大增加。
推进380m后，此时工作面距离下山仅为20m，工作面前方垂直应力峰值区域已经完全覆盖下山区域，回风下山和轨道下山附近的垂直应力集中系数达到了2.5左右，而回风下山和运输下山间的应力集中系数也升高到2.5左右。此外，轨道下山与回风下山两帮移近量大大升高，在巷道部分节点位移量达到了0.5m左右。塑性区十分发育，显示由于超前应力的影响，煤层的变形已经处在塑性阶段，并且可能已经十分破碎。如果留设煤柱尺寸为20m，下山的变形将十分剧烈，巷道维护困难。
4.模拟结论及煤柱尺寸最优确定
在2煤层开采结束的情况下，当4煤层距离下山150m时，煤层开采造成的矿压显现不明显，下山区域应力应变情况基本与2煤开采完毕后相同。距离80m时，采动对下山基本没有影响，下山围岩位移量小于100mm，下山使用状况良好。距离下山50m时，下山的矿压显现不明显，日常维护量较小。距离30m时，工作面前方垂直应力峰值区域已经覆盖下山区域，轨道下山中部分节点位移量达到160mm，下山附近岩层中塑性区比较发育，巷道维护比较困难。距离下山20m时，轨道下山与回风下山两帮移近量大大升高，在巷道部分节点位移量达到了0.5m左右。塑性区十分发育，并且可能已经十分破碎。此时下上的维护变得十分困难。
根据以上分析，若下山巷道的保护煤柱在50m以上时，下山使用状况良好，但煤柱尺寸过大不利于煤柱回收；煤柱在30m以下时，可以提高采区采出率，但维护工作非常困难，因此，为确保其服务年限，下山保护煤柱的最佳尺寸应该控制在50m左右。
5.意义
采用数值模拟软件分析了在二煤回采完毕后，在四煤开采时，集中下山在不同保护煤柱条件下受采动影响的应力应变情况，确定出了保护煤柱的最佳留设尺寸，确保了下山服务年限，提高了生产系统的安全性，减少了巷道维护量，具有很好的经济效益，同时，为其他类似条件的巷道煤柱尺寸留设提供了依据，其理论和现实意义重大。
作者简介：赵庆祥，男，山东新泰人， 1974年11月出生，工程师，毕业于山东科技大学采矿工程专业，现任翟镇煤矿综采二区区长，曾在刊物上发表论文多篇。
[关键词]集中下山 围岩变形 保护煤柱 应力集中系数
中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0051-01
1.概况
翟镇煤矿三采区2、4煤层属于缓倾斜中厚煤层，平均间距约为20m，采用上下山联合准备方式。其中轨道下山、回风下山布置在4煤层中，运输下山在4煤层底板中。轨道下山与回风下山间距35m，回风下山与运输下山相距10m，运输下山距煤层底板10m。
1401E工作面在三条下山的东侧，开采上限标高为-194.6m，下限标高为-218.4m。走向长约412m，倾斜宽196m，工作面基本为单斜构造，地层走向74°～90°，倾向164°～180°，煤层倾角平均6°，煤厚平均2.8m。煤层老顶岩性为灰白色粉砂岩，平均厚13米，以石英为主，钙质胶结、较硬，f=3.0；直接顶为黑色粉砂岩及煤4上分层，厚度平均6.2米，含1-3层煤4上分层，是典型的复合顶板，各分层间夹矸厚度不均一，f=3.0。直接底为灰黑色粉砂岩，厚度平均1.4米，含大量根部化石。老底为细砂岩，厚度平均4.8米，局部地段底部含一层煤4下分层，厚度约0.4米，浅灰色，以石英为主，钙质胶结，层理发育。
2.模型建立
模拟主要对针对三条下山巷道，同时模拟过程兼顾2、4煤层的开采影响。4煤层的推进距离约为400m，考虑到边界效应，模拟方案的范围取600 m（宽）×104 m（高）。模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移；下部边界限制y方向的位移；模型上部则采用应力边界，将未模拟的上覆岩层以均布载荷的形式施加在上表面上。
对于煤体，单元最大边长不大于3 m，其他各岩层单元按与煤层的远近，适当划分。为提高计算精度，在煤层以及巷道附近的块体及单元较小，而关键层处的块体及单元较大。
3.巷道变形及应力数值模拟结果
3.1 二煤采后围岩变形及应力分布
2煤层开采后，会对底板岩层形成应力扰动，下山处的垂直应力集中系数略有升高，约为1.5左右；水平应力在数值上大于垂直应力，集中系数约为1.4-1.6；巷道变形量很小，仅在个别节点位置出现了小于50mm的位移；且塑性区不发育。这反映了上煤层开挖对下山的影响极为有限，上煤层开挖后下山不用做额外维护。
3.2 四煤采后巷道变形及应力分布
4煤推进250m后，在工作面前方造成了较大的垂直应力集中，集中系数达到了3～4左右。而整个开采区域的水平应力则有所降低，说明煤体开采提供了一定的应力释放空间，在一定程度上使水平应力得到释放。由于工作面距离下山有150m，煤层开采造成的矿压显现不明显，下山区域应力应变情况基本与2煤开采完毕后相同。
推进320m后，在工作面前方造成了较大的垂直应力集中，但小于工作面推进到250m时的集中系数，约为2～3左右。整个开采区域的水平应力与开采前相比有所降低，但在个别区域出现了较大的集中。由于工作面距离下山有80m，煤层开采造成的矿压在下山上方较远处岩层中有所显现，但对下山附近的岩层基本没有影响，此时，下山围岩节点的位移量小于100mm，下山状况良好。
推进350m后，工作面距离下山50m，工作面前方应力集中区域已经波及到下山煤柱，回风、轨道下山附近的垂直应力集中系数达到了1.6左右，但水平应力基本在原岩应力。此外，巷道围岩的变形量有所增加，在下山巷道中部分节点位移量到达130mm，但塑性区没有发育，显示此时下山有一定变形量，但日常维护量不大，可以正常使用。
推进370m后，由于工作面距离下山为30m，工作面前方垂直应力峰值区域已经覆盖下山区域，回风下山和轨道下山附近的垂直应力集中系数达到了2.5左右。此外，巷道围岩的变形量有所增加，在轨道下山中部分节点位移量达到160mm。在下山附近的岩层中塑性区比较发育，显示由于超前压力的影响，煤层的变形已经处在塑性阶段。如果留设煤柱尺寸为30m，那么下山的变形将比较剧烈，维护工作将大大增加。
推进380m后，此时工作面距离下山仅为20m，工作面前方垂直应力峰值区域已经完全覆盖下山区域，回风下山和轨道下山附近的垂直应力集中系数达到了2.5左右，而回风下山和运输下山间的应力集中系数也升高到2.5左右。此外，轨道下山与回风下山两帮移近量大大升高，在巷道部分节点位移量达到了0.5m左右。塑性区十分发育，显示由于超前应力的影响，煤层的变形已经处在塑性阶段，并且可能已经十分破碎。如果留设煤柱尺寸为20m，下山的变形将十分剧烈，巷道维护困难。
4.模拟结论及煤柱尺寸最优确定
在2煤层开采结束的情况下，当4煤层距离下山150m时，煤层开采造成的矿压显现不明显，下山区域应力应变情况基本与2煤开采完毕后相同。距离80m时，采动对下山基本没有影响，下山围岩位移量小于100mm，下山使用状况良好。距离下山50m时，下山的矿压显现不明显，日常维护量较小。距离30m时，工作面前方垂直应力峰值区域已经覆盖下山区域，轨道下山中部分节点位移量达到160mm，下山附近岩层中塑性区比较发育，巷道维护比较困难。距离下山20m时，轨道下山与回风下山两帮移近量大大升高，在巷道部分节点位移量达到了0.5m左右。塑性区十分发育，并且可能已经十分破碎。此时下上的维护变得十分困难。
根据以上分析，若下山巷道的保护煤柱在50m以上时，下山使用状况良好，但煤柱尺寸过大不利于煤柱回收；煤柱在30m以下时，可以提高采区采出率，但维护工作非常困难，因此，为确保其服务年限，下山保护煤柱的最佳尺寸应该控制在50m左右。
5.意义
采用数值模拟软件分析了在二煤回采完毕后，在四煤开采时，集中下山在不同保护煤柱条件下受采动影响的应力应变情况，确定出了保护煤柱的最佳留设尺寸，确保了下山服务年限，提高了生产系统的安全性，减少了巷道维护量，具有很好的经济效益，同时，为其他类似条件的巷道煤柱尺寸留设提供了依据，其理论和现实意义重大。
作者简介：赵庆祥，男，山东新泰人， 1974年11月出生，工程师，毕业于山东科技大学采矿工程专业，现任翟镇煤矿综采二区区长，曾在刊物上发表论文多篇。