孤島工作面近斷層開采保護(hù)煤柱合理寬度留設(shè)

劉懷喜 張 琦

（新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 巨野 274918）

孤島工作面近斷層開采時(shí)，斷層保護(hù)煤柱在孤島工作面采動(dòng)應(yīng)力和斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加作用下積聚大量彈性能，斷層活化錯(cuò)動(dòng)易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著工作面的安全生產(chǎn)，而合理寬度的斷層保護(hù)煤柱可以降低此類災(zāi)害發(fā)生的概率，因此研究孤島工作面斷層保護(hù)煤柱的合理留設(shè)寬度是十分必要的。

目前對(duì)于孤島工作面開采和近斷層開采應(yīng)力分布規(guī)律的研究成果已較為完善，但孤島工作面近斷層開采時(shí)，保護(hù)煤柱應(yīng)力分布更為復(fù)雜，不同方向的支承壓力疊加，煤柱積聚大量彈性能，易造成片幫、沖擊地壓等事故，此類研究卻相對(duì)較少。本文以新巨龍煤礦近斷層孤島工作面開采問題為工程背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)斷層保護(hù)煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，確定了保護(hù)煤柱的合理留設(shè)寬度，為近斷層孤島工作面開采保護(hù)煤柱合理寬度的留設(shè)提供了科學(xué)指導(dǎo)，具有一定的工程實(shí)踐意義。

1 工作面概況

8301工作面主采3下煤層，開采深度917.8m，開采范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角平均6 °，平均厚度2.3m。8301工作面周圍存在8302工作面和8303工作面采空區(qū)，正上方為2306S工作面采空區(qū)。8301工作面與8303工作面間賦存鄆16斷層，落差0～78m，傾角平均70 °。工作面具體布置情況如圖1所示。

圖1 8301工作面布置圖

2 斷層對(duì)孤島工作面開采影響的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)化并建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為500m×500m×150m，共75 000個(gè)單元，80 631 個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，對(duì)四周邊界約束水平位移，下部邊界約束垂直位移。

數(shù)值模型計(jì)算時(shí)，首先開挖2306S工作面，隨后開挖8303工作面，然后開挖8302工作面。為研究斷層對(duì)煤柱應(yīng)力分布的影響和斷層保護(hù)煤柱的合理留設(shè)寬度，首先在留設(shè)35m煤柱的情況下開挖工作面，對(duì)比煤柱承受應(yīng)力情況。隨后研究斷層保護(hù)煤柱寬度為35m、45m和55m時(shí)煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律。

2.2 結(jié)果分析

模擬獲得了有無斷層時(shí)采動(dòng)應(yīng)力的分布情況如圖2所示。無斷層時(shí)煤柱承受水平及垂直峰值應(yīng)力分別為4.84MPa、15.3MPa，有斷層時(shí)煤柱承受水平及垂直峰值應(yīng)力分別為7.82MPa、22.7MPa。斷層存在時(shí)，在采動(dòng)影響下煤柱水平及垂直峰值應(yīng)力分別上升了61.6%、48.4%，峰值應(yīng)力位置均呈現(xiàn)煤柱向工作面巷道邊緣遷移的規(guī)律。無斷層情況下，煤柱處采動(dòng)應(yīng)力曲線呈“馬鞍形”，而斷層賦存下呈“突刺形”，煤柱近巷道處應(yīng)力最為集中。這是由于斷層將煤體分離成兩部分，造成了8301工作面處的斷層保護(hù)煤柱應(yīng)力集中所致?？梢?，斷層對(duì)煤柱應(yīng)力分布有明顯影響，這是因?yàn)閿鄬訋Ц浇綐?gòu)造應(yīng)力較大，煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)，聚積了大量能量，并且西側(cè)8302工作面已回采形成采空區(qū)，應(yīng)力易集中。斷層與工作面中間位置為應(yīng)力疊加高峰區(qū)，此區(qū)域容易積聚較大能量。當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層構(gòu)造應(yīng)力與工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加，使斷層附近煤柱的采動(dòng)應(yīng)力增高。

3 孤島工作面近斷層開采保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

為研究工作面煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律，獲得了水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力的分布情況如圖3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨斷層保護(hù)煤柱寬度的增大，其承受的采動(dòng)應(yīng)力均減小，三種留設(shè)寬度水平峰值應(yīng)力依次為7.81MPa、5.63MPa、4.51MPa，垂直峰值應(yīng)力依次為22.7MPa、13.79MPa、13.43MPa。由模擬結(jié)果可以看出，保護(hù)煤柱寬度為35m、45m時(shí)，較之55m方案水平向應(yīng)力峰值分別增加了73.2%、24.8%，垂直應(yīng)力峰值分別增加了69.0%、2.7%。當(dāng)斷層保護(hù)煤柱寬度小于45m時(shí)，其采動(dòng)應(yīng)力峰值均出現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)，當(dāng)保護(hù)煤柱寬度在45m以上時(shí)，水平及垂直應(yīng)力增幅均較小，可認(rèn)為45m為采動(dòng)應(yīng)力發(fā)生質(zhì)變的臨界值。不同保護(hù)煤柱寬度，垂直應(yīng)力峰值均位于煤柱中央處，而水平應(yīng)力隨煤柱寬度的增大由工作面巷道邊緣向煤柱中央遷移。

圖2 斷層對(duì)應(yīng)力分布的影響

隨著8301工作面的開采，孤島保護(hù)煤柱逐漸成為覆巖的主要承載體。由于受到傾斜斷層的切割作用，下盤保護(hù)煤柱受壓破壞由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，成為屈服煤柱，而覆巖載荷主要由上盤煤柱承載。斷層賦存條件下，巖層內(nèi)積聚了大量的變形能，工作面的開采使得上覆巖層的壓力大部分作用于斷層保護(hù)煤柱之上。同時(shí)，由于煤體寬度大幅度減小，采空區(qū)側(cè)向支承壓力在斷層保護(hù)煤柱上疊加，斷層的存在使得工作面近斷層側(cè)處于高應(yīng)力狀態(tài)。由于8301工作面與8303工作面采空區(qū)相鄰，采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用在8301工作面煤體上，造成能量聚積。同時(shí)，由于8301工作面位于3上煤層2306S工作面下方，工作面前方順槽處于上下煤層超前支承壓力疊加影響，巷道圍巖應(yīng)力集中程度加劇。

當(dāng)斷層保護(hù)煤柱為45m時(shí)，煤柱所受水平與垂直應(yīng)力均相對(duì)較小，且水平應(yīng)力峰值處距巷道較遠(yuǎn)，有利于工作面支護(hù)和維護(hù)。同時(shí)，8301與8303工作面間煤柱承載應(yīng)力也較小，由此確定斷層保護(hù)煤柱寬度為45m，這樣既能通過留設(shè)合理的煤柱寬度來防止沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，又能充分回收煤炭資源。

圖3 模型工作面傾向方向應(yīng)力分布

4 工程應(yīng)用

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)8301孤島工作面斷層保護(hù)煤柱寬度為45m。工作面回采過程中對(duì)巷道變形量及煤柱垂直應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。工作面回采過程中，斷層保護(hù)煤柱所受垂直應(yīng)力最大值為15MPa，平均13MPa；巷道變形量最大值為172mm，平均值為144mm。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，工作面回采過程中煤柱垂直應(yīng)力與數(shù)值模擬結(jié)果相符，整個(gè)工作面回采過程中未出現(xiàn)巷道片幫嚴(yán)重和頂?shù)装迨鹿?，保證了安全開采，回收了6.8萬t煤炭資源，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）對(duì)比研究了煤柱留設(shè)寬度為35m時(shí)，有無斷層情況下煤柱上的應(yīng)力分布規(guī)律。無斷層時(shí)煤柱所受水平及垂直峰值應(yīng)力分別為4.84MPa、15.3MPa，有斷層時(shí)煤柱所受水平及垂直應(yīng)力分別為7.82MPa、22.7MPa。斷層存在時(shí)，煤柱水平應(yīng)力增大了61.6%，垂直應(yīng)力增大了48.4%，采動(dòng)峰值應(yīng)力均向近工作面處移動(dòng)。

（2）得到了斷層保護(hù)煤柱不同寬度時(shí)采動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律。斷層保護(hù)煤柱留設(shè)寬度為35m、45m、55m時(shí)，煤柱所受水平應(yīng)力分別為7.81MPa、5.63MPa、4.51MPa，垂直應(yīng)力分別為22.7MPa、13.79MPa、13.43MPa。不同保護(hù)煤柱寬度，垂直應(yīng)力峰值均位于煤柱中央處，而水平應(yīng)力隨煤柱寬度的增大由工作面巷道邊緣向煤柱中央遷移。當(dāng)小于45m臨界煤柱寬度時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)，大于此寬度時(shí)增幅較小，由此選定45m的斷層保護(hù)煤柱寬度為合理留設(shè)寬度。

圖4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

（3）確定斷層保護(hù)煤柱寬度為45m后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，斷層保護(hù)煤柱所受垂直應(yīng)力平均為13MPa，巷道變形值平均為144mm。煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律與數(shù)值模擬相符，回收煤炭資源約6.8萬t，工作面回采過程中未出現(xiàn)頂?shù)装迨鹿?，?shí)現(xiàn)了孤島工作面近斷層開采條件的安全生產(chǎn)。