不規(guī)則孤島工作面開采可行性研究

徐誠軍，熊輝榮，楊建平

（1.安源煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，江西 南昌330002；2.江西煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司尚莊煤礦，江西 豐城 331100）

在采區(qū)內(nèi)形成至少一個(gè)沿工作面走向方向兩側(cè)均為采空區(qū)的工作面，或工作面三邊、四周均為采空區(qū)的工作面，這樣的工作面稱為孤島工作面。受斷層、開采遺留問題、煤層走向方位調(diào)整等因素制約，會(huì)造成工作面沿走向形狀不規(guī)則。常見不規(guī)則工作面（也稱工作面面長不等長工作面）有楔形、梯形、三角形、扇形、刀把等形狀［1］。對(duì)于孤島工作面來說，工作面煤體內(nèi)的應(yīng)力疊加、峰值變大、應(yīng)力增高區(qū)擴(kuò)展，造成工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、頂板來壓強(qiáng)度大。隨著開采推進(jìn)，工作面前方的煤柱尺寸逐步減?。ɑ蚣娱L），煤柱應(yīng)力增大。尚莊煤礦706煤柱工作面屬于三角形孤島工作面，合理判定尚莊煤礦706煤柱工作面的安全開采可行性，制定合理的安全技術(shù)措施，對(duì)于確保礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工作面概況

尚莊煤礦706煤柱工作面位于尚莊井田東翼，為礦井接續(xù)工作面，煤層底板標(biāo)高-440～-470 m，工作面平均埋深約490 m，走向長度175 m，傾向長度63～178 m，平均120 m，煤層厚度1.2～3.1 m，平均2.2 m，煤層傾角10°～13°，可采儲(chǔ)量約0.065 Mt。706煤柱工作面北部為702工作面；南部為706工作面；西部為風(fēng)井保護(hù)煤柱，東部為東III采區(qū)上山保護(hù)煤柱。706煤柱工作面處于702工作面和706工作面采空區(qū)之間，且工作面為三角形，面長沿走向?yàn)榉且?guī)則形狀，工作面前方的煤柱尺寸不斷減小，706煤柱工作面所處的應(yīng)力環(huán)境越來越復(fù)雜。706煤柱工作面采掘工程平面見圖1。

圖1 706煤柱工作面采掘工程平面

2 工作面開采應(yīng)力計(jì)算

2.1 706煤柱工作面開采過程數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬采用Rhino建模、分組、劃分網(wǎng)格，然后利用Rhino 與FLAC3D接口插件Griddle 導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行賦值，運(yùn)算。

考慮到三角煤柱建模的復(fù)雜性及模型運(yùn)行速度，本次將三角煤柱簡化為長方體煤柱，數(shù)值模型參照尚莊煤礦采掘工程平面圖及井下現(xiàn)狀而建，上覆巖層及其巖性根據(jù)尚莊煤礦綜合水文地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行選擇。數(shù)值模型大小為690 m×950 m×267.8 m，模型頂部剩余249 m巖層通過施加垂直應(yīng)力代替，施加垂直應(yīng)力大小為6.23 MPa，上覆巖層及其巖性參數(shù)見表1。按最大采高2.8 m模擬煤柱穩(wěn)定性。

表1 巖層參數(shù)取值

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

（1）工作面推進(jìn)過程中煤柱塑性區(qū)分布

隨著工作面推進(jìn)，煤柱塑性區(qū)逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)210 m，距停采線10 m時(shí)，煤柱內(nèi)部僅剩10 m左右的彈性核區(qū)，當(dāng)工作面推進(jìn)220 m，到達(dá)原設(shè)計(jì)停采線時(shí)，煤柱完全破壞，失去承載能力；由于702、706工作面已全部采完，工作面與老采空區(qū)之間留設(shè)煤柱兩側(cè)處于臨空狀態(tài)，隨著工作面推進(jìn)，塑性區(qū)發(fā)育，亦逐漸失去承載能力，在工作面推進(jìn)過程中需加強(qiáng)對(duì)工作面順槽護(hù)巷煤柱的支護(hù)。

（2）工作面推進(jìn)過程中煤柱垂直應(yīng)力云圖

由圖2可知，隨著工作面推進(jìn)，工作面前方煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后減小的過程。在工作面推進(jìn)后期，垂直應(yīng)力逐漸減小，這是因?yàn)殡S著工作面推進(jìn)，煤柱尺寸減小，應(yīng)力集中增大，煤柱塑性區(qū)發(fā)育，支撐能力逐漸減小。特別是當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到190 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力達(dá)到最大極限，隨后煤柱發(fā)生整體破壞，逐步失去承載能力。

圖2 工作面推進(jìn)過程中煤柱最大垂直應(yīng)力變化規(guī)律

3 巷道布置

從開采實(shí)踐看，將回采巷道布置在塑性區(qū)，并使護(hù)巷煤柱寬度與巷道寬度之和小于極限平衡區(qū)寬度，使巷道圍巖處于卸壓區(qū)內(nèi)，能保證巷道的穩(wěn)定和安全。根據(jù)極限平衡區(qū)寬度的理論計(jì)算公式為［2］：

式中：M為工作面采高，m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/（1-μ），μ為泊松比；φ為煤的內(nèi)摩擦角°；C為煤體黏聚力，MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；PA為回采巷道的支護(hù)阻力，MPa。

對(duì)于706 煤柱工作面，采高按最大采高M(jìn)=2.8 m計(jì)算（采高降低時(shí)影響范圍減小），μ=0.35，A=0.54，φ=18°，C=0.7 MPa，H=490 m，γ=25 kN/m3，PA=0。應(yīng)力集中系數(shù)在開切眼位置K=2.64，在停采線位置為5.26，均取為平均應(yīng)力系數(shù)的1.5倍。

則在開切眼位置，x0=6.54 m；在停采線位置，x0=8.10 m。

根據(jù)706煤柱工作面設(shè)計(jì)，護(hù)巷煤柱寬5.5～7.0 m，巷道寬4.2 m，護(hù)巷煤柱基本處于極限平衡區(qū)之卸壓區(qū)內(nèi)，巷道可能處于極限平衡區(qū)應(yīng)力峰值邊緣，需要對(duì)巷道加強(qiáng)維護(hù)，采取加強(qiáng)支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、預(yù)留卸壓空間等技術(shù)措施。

4 支架工作阻力校核

支架的工作阻力與支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)面積有關(guān)。支護(hù)強(qiáng)度的大小取決于工作面采場(chǎng)礦壓的大小，但由于目前對(duì)采場(chǎng)礦壓的大小還不能進(jìn)行準(zhǔn)確的定量計(jì)算，目前主要以經(jīng)驗(yàn)法或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，來確定支護(hù)強(qiáng)度。

根據(jù)706煤柱工作面煤柱穩(wěn)定性分析，只要保持工作面前方煤體的穩(wěn)定，上覆巖層的載荷仍然主要由前方煤柱支承，工作面支護(hù)強(qiáng)度仍能根據(jù)礦山壓力理論進(jìn)行計(jì)算，只是需要在計(jì)算時(shí)選用較大的富裕系數(shù)。

4.1 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

（1）采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算合理的支護(hù)強(qiáng)度

式中：q1為工作面合理的支護(hù)強(qiáng)度，kPa；M為平均采高，m；γ為頂板巖石平均容重，取25 kN/m3；K為工作面支架支護(hù)的上覆巖層厚度與采高之比，一般為4～8。

由式（2），計(jì)算的706煤柱工作面所需的支護(hù)強(qiáng)度：采高按平均采高2.2 m計(jì)算，q1=8×2.2×25=440 kPa。

（2）按現(xiàn)行較通用的巖石容重法公式計(jì)算支架的動(dòng)載支護(hù)強(qiáng)度

式中：q2為支架的動(dòng)載支護(hù)強(qiáng)度，kPa；kd為動(dòng)載系數(shù)，一般取1.2～2.0(根據(jù)礦壓觀測(cè)情況取值)；M為采厚，m；kP為上覆冒落帶巖石碎脹系數(shù)，取1.25；γ為頂板巖石平均容重，25 kN/m3。

由式（3），可得根據(jù)巖石容重法計(jì)算的706煤柱工作面所需的支護(hù)強(qiáng)度。

4.2 支架工作阻力校核

工作阻力=支護(hù)強(qiáng)度×支架的支護(hù)面積?？捎孟率接?jì)算：

式中：P為支架工作阻力，kN；qmax為支架的支護(hù)強(qiáng)度（取q1、q2最大值），kN/m2；Lk為梁端距，m；Ld為頂梁長度，m；B為支架中心距，m。

根據(jù)設(shè)計(jì)，706煤柱工作面擬選用支架的型號(hào)為ZY3200-17/36支撐掩護(hù)式液壓支架。支架頂梁長度3.6 m，端面距0.3 m，支架中心距1.5 m。按平均采高2.2 m計(jì)算、支護(hù)強(qiáng)度為0.44 MPa時(shí)，支架應(yīng)提供的工作阻力為P=0.44×5.85=2574 kN，考慮1.2倍的富裕系數(shù)，支架的工作阻力最小應(yīng)為3089 kN。ZY3200-17/36型兩柱掩護(hù)式液壓支架的工作阻力為3200 kN，按平均采高2.2 m計(jì)算，能滿足工作面支護(hù)強(qiáng)度0.44 MPa的要求。

需要注意的是，由于706煤柱工作面為非規(guī)則工作面，工作面開采寬度逐步由170 m減小為63 m，根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)和最大垂直應(yīng)力在不斷增大。因此在開采過程中要密切注意支架阻力的變化，出現(xiàn)支護(hù)異常時(shí)及時(shí)終止開采，保證生產(chǎn)安全。

5 結(jié)語

根據(jù)706煤柱工作面的地質(zhì)采礦條件，利用理論分析和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)706煤柱工作面開采的可行性進(jìn)行了深入研究，得出主要結(jié)論如下：

1）理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，706煤柱工作面推進(jìn)長度不應(yīng)超過190 m，支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于0.44 MPa。

2）隨著工作面開采寬度的減小，應(yīng)力集中越來越大，要嚴(yán)格按計(jì)算采高開采，選用工作阻力較大的支架，加強(qiáng)支架阻力變化的監(jiān)測(cè)，如有異常，應(yīng)及時(shí)采取停采等技術(shù)措施。

3）護(hù)巷煤柱基本處于極限平衡區(qū)卸壓區(qū)內(nèi)，需加強(qiáng)工作面順槽和回風(fēng)巷的支護(hù)，采取錨網(wǎng)梁加錨索、超前加強(qiáng)支護(hù)等綜合措施，防止應(yīng)力集中對(duì)回采巷道穩(wěn)定性的影響。