中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2025）07-0145-07
Abstract： This paper takes the working face in a certain coal mine as the research background，reveals the energy disipationmechanisminthefragmentationprocessofoalandrock massesthroughtheoreticalanalysis，andsystematically explorestheinfuencingfactorsofrockburstsandtheevaluation methodofrockbursttendency.Basedonthis，itproposesmpact preventionmeasures fornarrowcoalpilars，designsthecoalpilarretentionschemebyestablishingtheelastic-plasticmodel of coal pillrs，optimizesthe schemesubsequentlyand determines thereasonable widthofthecoal piars simultaneously.By usingFLAC3Dnumericalsimulation，itanalyesthestressdistributioncaracteristicsofoalpillrswithdiffrentwidthsand conducts an in-depth discussion on the stability of the roadway.
Keywords： energy mechanism; impact prevention measure; narrow coal pillar
0 引言
1．数值模拟工作面计算模型
20世纪60年代中期，Clough率先采用有限元分析方法研究了土石坝的稳定性，开创了有限元应用的先河[1。自此，数值模拟技术在岩石工程相关领域迅速兴起，成为解决复杂工程问题的重要工具，并取得了显著进展[2。对于许多复杂的工程问题，数值模拟能够提供有效的解决途径。通过数值模拟，不仅可以扩展工程人员的认知范围，还能直观展示岩体内部的破坏过程及相关机理[3。为满足研究需求，数值模拟软件不断发展，对专业性、可视化界面的完善性以及属性信息输出的全面性提出了更高要求，以便于深入探讨相关问题[4。FLAC3D等软件的问世，为数值模拟方法的广泛应用奠定了基础，具有重要的里程碑意义[5]。
1.1数值模型的建立
目前，我国多数地区煤矿产业在煤柱宽度研究方面仍主要依赖于经验，缺乏系统的科学研究支撑[]。研究表明，煤柱危险区域产生的强剪切力会显著削弱煤柱稳定性，进而引发强烈的地压冲击。因此，研究煤柱冲击时，应重点关注高压集中的区域，并尽可能降低或消除这些高应力区[。目前的研究方法主要包括现场实测、数值模拟和理论计算三种[。由于实测方法存在一定的局限性，难以全面覆盖所有情况，数值模拟则能灵活模拟不同情形，并对煤柱的受力与变形情况进行详细分析，必要时，数值模拟还能对复杂部分作适当简化，展现出明显的优势[9]
1.2数值模型的加载条件及参数
本文主要利用FLAC3D工具对采场围岩的应力演变规律进行研究。通过该工具，可以模拟岩土及其他材料在受力条件下的变形特性[]。根据煤矿煤岩层的赋存环境及其力学特征测试结果，对煤岩的物理力学参数进行等效简化，具体数据如表1所示。
表1煤岩物理参数表2煤柱合理宽度的确定
2.1不同宽度煤柱的应力区分布特征
根据矿井巷道的地质特征、岩体的存在特性以及岩石、螺栓和钢筋相应的力学参数，建立了数值模型。由于本研究的数值模拟主要关注进水口周围岩体的应力和变形状态，因此在进水口周围的网格划分较密。
模型总共分为29500个单元。在建立模型并设置边界条件后，首先进行自重应力下的初始平衡计算。当达到预设的收敛参数时，计算停止，此时模型中的应力为初始地质应力。在自重平衡过程中模型中的位移被设置为零，并建立了支撑单元。数值模型初始平衡图如图1所示。
图1模型初始平衡图部分初始流命令如下所示：
1）初始平衡计算。初始平衡计算的命令通常指的是在FLAC3D一系列用于启动模拟过程的指令。这些指令主要用于定义模拟问题的物理特性、几何形状、材料属性、边界条件和初始条件。初始平衡计算是数值模拟的起点，为后续的计算过程提供了基础。初始命令还包括选择数值方法和计算参数。这些参数包括迭代方法，它们对模拟的准确性和效率有重大影响，用于实现最佳结果：
def cs
（20 
；煤
（20 t m2=1 . 8 9 e9 ；煤
（2 t m3=6 . 6 1 e9 ；顶板粉砂岩
（204号 t m4 = 8 . 8 1 e9 ；顶板粗砂
（20 t m5=7 . 8 2 e9 ；顶板粗砂
（20 t m6=1 1 . 0 8 e9 ；底板细砂
（20号 t m7=6 . 3 e9 ；底板泥岩
（204号 
（20号 
（2号 
（20号 
（20
（20 
sh4=tm4/（2.0*（1.0+bsb4））
（204号 
sh5=tm5/（2.0*（1.0+bsb5））（20 
（20（20 
（204号
end
@cs
mod e
prop bulk @bul shear 
range group 1
prop bulk $@ _ { Ḋ } ＼mathrm { b u } 2 Ḍ$ shear 
range group 2
prop bulk @bu3 shear @ s h 3 range group 3
prop bulk @bu4 shear @sh4 range group 4
prop bulk @bu5 shear @sh5 range group 5
prop bulk @bu6 shear @ sh6 range group 6
prop bulk @bu7 shear @ 8 1 7 range group 7
ini dens 1274 range group 1
ini dens 1274 range group 2
ini dens 2353 range group 3
ini dens 2303 range group 4
ini dens 2294 range group 5
ini dens 2355 range group 6
ini dens 2397 range group 7
fix x ran x -0.1 0.1
fix x ran x 49.9 50.1
fix y ran y -0.1 0.1
fix y ran y 29.9 30.1
fix z ran z -0.1 0.1set grav 0 0 -10ini sxx -15e6ini szz -10e6ini syy -15e6apply szz -10e6 range z 49.9 50.1set mech ratio le-5solvesav chushi.sav
2）开挖命令是数值模拟软件中用于模拟开挖过程的一系列指令。这些指令允许用户定义开挖的几何形状、位置、顺序以及支护措施。借助开挖命令，用户可以模拟地下隧道等工程的开挖过程，包括开挖的几何形状、位置和顺序。通过开挖命令，可以直观地观察到开挖过程中岩土体的变形、破坏以及应力分布等变化：
ini xdis Oydis O zdis 0ini xvel O yvel 0 zvel 0model mohrprop bulk @bul shear @ shl ten 1.17e6 coh 19.25e6
fric 24.5 range group 1prop bulk @bu2 shear @sh2 ten 1.17e6 coh 19.25e6
fric 24.5 range group 2prop bulk @bu3 shear @sh3 ten 3.62e6 coh 23.08e6
fric 22.3 range group 3prop bulk @bu4 shear @sh4 ten 1.33e6 coh 14.19e6
fric 32.6 range group 4prop bulk @bu5 shear @sh5 ten 2.38e6 coh 15.68e6
fric 28.7 range group 5prop bulk @bu6 shear @sh6 ten 5.67e6 coh 22.39e6
fric 31.8 range group 6prop bulk @bu7 shear @sh7 ten 6.34e6 coh 23.09e6
fric 33.3 range group 7set largecall maogan1.txtcall maogan2.txtcall maogan3.txtcall maogan4.txtcall maosuo l.txtcall maosuo2.txtmodel 1 range group 1sosav kw.sav
数值模型中的位移是衡量巷道支护效果的重要指标。如果掘进后顶板、底板和巷道两侧的位移较大，将显著减小巷道的截面积，从而影响井下的正常业务运行。由上图数值模拟图不同宽度煤柱垂直应力的分布如图2所示。
图2不同宽度煤柱垂直应力分布云图1）从图2可以看出，当煤柱宽度为5米时，应力峰值集中在巷道左上方，与其他区域相比，峰值位置与其他位置相比较远，这有助于提高巷道的安全性。
2）当煤柱宽度超过25米时，可以观察到煤柱内部出现两种应力峰值。这主要是由于采空区的峰值与巷道开挖引起的应力分离共同作用造成的。图2展示了不同宽度煤柱垂直应力的分布云图具体情况如表2所示。
表2不同煤柱宽度下应力系数分布情况由表2可知：
1当煤柱宽度为5米时，垂直应力集中较不明显。如图2所示，使用较窄煤柱的应力影响区域远小于宽煤柱的情况。其应力值为1.3。
2）当煤柱宽度为25到40米时，最大应力集中系数分别为3.4、3.2、2.9、2.4，主要是煤柱宽度的增加导致冲击风险迅速下降。然而，应力集中系数仍然较大，表明依然存在较高的冲击风险。
2.2不同宽度煤柱的塑性区分布特征
如图3所示，为各种宽度煤柱巷道完成工作后，其不同的屈服破坏云图。
当煤柱宽度为5米时，巷道右侧发生屈服破坏。煤柱屈服后，其他载荷将传递到工作面，因此冲击风险较低。随着煤柱宽度的增加，巷道的屈服破坏区域也有所扩大，但变化不显著。在煤柱宽度为15米至40米时，右侧区域仍然存在屈服破坏，屈服后的载荷不再传递到工作面，因此冲击风险较高。随着煤柱宽度的增加，屈服破坏区域增大，导致冲击危险性显著增加。
3 回采对巷道稳定性分析
3.1 窄煤柱回采稳定性分析
为了验证5米窄煤柱的合理性，模拟在5米窄煤柱的情况下，工作面回采不同超前支护距离，窄煤柱的稳定性情况如图4所示，给出了较为代表性的0米、30米、60米、80米的超前支护距离的情况。
图3不同宽度煤柱巷道挖掘后的屈服破坏云图
图4不同超前支护距离云图根据图4，观察在5米窄煤柱的不同超前距离垂直应力分布，得出0米、10米、20米、30米、40米、50米、60米、70米、80米的不同超前支护距离情况下的5米窄煤柱受力情况：不同超前支护下5米窄煤柱的应力最大值分布情况如表3所示。
表3不同超前支护下最大应力分布值根据表3可知；超前30米属于其中的转折点，采动初期对于应力分布产生的影响较为明显。
3.2回采对不同宽度煤柱稳定性分析
为了深入验证煤柱在超前30米位置处垂直应力的变化情况，利用FLAC3D软件分析了超前30米范围内的垂直应力分布特征，以此探究煤柱的稳定性状态。在FLAC3D中，正的应力值代表拉应力，而负的应力值则代表压应力。图5揭示了一个重要现象：无论是否进行支护，应力的分布规律都保持相似，且呈现出对称的特点。切眼开挖后，围岩周边的应力重新分布，切眼两侧形成了显著的应力集中区域，这些区域主要以压应力为主，最大值高达 2 . 4 7 M P a 。相反，在切眼的顶部和底部，拉应力占据主导地位，最大值达到 8 . 2 3 M P a ，这种拉应力的存在导致了顶板和底板的拉伸破坏。随着锚杆和锚索支护的增加，垂直应力的峰值呈现出减小的趋势。这表明在锚杆（或锚索）的支护作用下，切眼围岩的垂直应力得到了降低，并且应力区域有向深部转移的趋势。这种转移还伴随着切眼底板上移趋势的增强。同时，加强支护后的低应力区域范围明显小于原支护条件下的范围。在未对切眼两侧进行支护的情况下，巷道壁内5米处存在较高的压应力，其最大值可达到 6 . 5M P a ，这对巷道两侧围岩的稳定性产生了较大的影响。此外，在巷道两帮的表面，还分布着 0 . 9M P a 的拉应力区域，这些区域虽然范围较小，但已经导致了巷道壁面的破坏。而从图5可以观察到，顶板加强支护后，水平应力的峰值呈现出微弱的减小趋势。垂直应力分布如图5与表4所示。
图5不同宽度煤柱最大应力云图分布表4不同宽度煤柱最大应力分布
在工作面超前30米时，较窄的煤柱（5米、10米、15米）呈现出三角形的应力分布，而煤柱宽度增大后则呈现梯形分布。尽管煤柱宽度变化对最大应力的影响不显著，但当煤柱宽度为5米时，最大应力值最低。
当煤柱宽度为5米时，不同超前距离下的垂直应力分布变化情况可通过图示观察。图中可以看到，煤柱两侧的应力峰值逐渐向中央聚集，并且相互叠加。同时，巷道左侧的垂直应力也不断增加，并向深部扩展。
4结论
1）基于某矿工作面地质条件，构建了5米至40米的不同宽度煤柱FLAC3D数值模型，研究了不同煤柱宽度下垂直应力分布的变化。结果表明，煤柱宽度为5米时，应力峰值出现在巷道的左上方，并且相较于其他宽度煤柱，应力峰值位置较远，从而有效降低了巷道的冲击风险。
2）在分析不同宽度煤柱下巷道开挖后的屈服破坏特征时发现，当煤柱宽度为5米时，巷道右侧出现屈服破坏。综合分析表明，5米窄煤柱在防冲方面更为合理。
3）在工作面超前支护为30米的条件下，进行煤柱回采稳定性分析，结果表明，5米宽煤柱时应力值最低，巷道稳定性最高，进一步验证了5米窄煤柱的合理性。
参考文献：
[1]王远东，徐大龙，顾伟.煤柱群回采沿空掘巷护巷煤柱尺寸研究[J].山东煤炭科技，2024，42（7）：17-22.
[2]王振宇，郝宪杰.区段煤柱宽度变化下工作面矿压危险性分析[J].煤炭技术，2024，43（8）：52-56.
[3]吴玉泉.综放工作面小煤柱沿空掘巷围岩控制研究[J].煤，2024，33（7）：72-75.
[4]陶志勇，黄庆享，范东林，等.浅埋近距离煤层过斜
交区段煤柱开采矿压规律研究[J].煤炭工程，2024，56（6）：96-102.
[5]王锐.煤矿工作面小煤柱留设宽度研究和支护优化[J]能源与环保，2023，45（5）：284-288.
[6]孟巧荣，王慧娴，王朋飞，等.深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制[J].煤炭科学技术，2024，52（3）：38-52.
[7]于斌，郃阳，李勇，等.坚硬顶板复合爆破定向造缝技术及工程应用[J].煤炭学报，2023，48（1）：126-138.
[8]万新通，张少平，杨正伟.深埋综放工作面出集中煤柱矿压规律及防治技术[J].陕西煤炭，2021，40（6）：89-92.
[9]王立文.特厚煤层综采强矿压防治技术的实践[J].能源与节能，2021（11）：194-195.
[10]梁哲.厚煤层条件下留小煤柱护巷研究与应用[J].山西焦煤科技，2021，45（11）：14-17.
作者简介：刘国方（1993一），男，汉族，河北沧州人，工程师，硕士，研究方向：智能信息与处理、深度学习、智能矿山。
