孤島工作面煤柱寬度對圍巖應(yīng)力分布的影響分析

馮 鑫

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對煤炭需求量的增加，煤炭資源逐漸枯竭，致使煤礦企業(yè)在有限空間中盡可能多的回收煤炭資源，成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題，而孤島工作面成為解決這一問題的有效方法之一[1]。目前，我國大部分煤炭企業(yè)都存在孤島工作面的現(xiàn)象，而孤島工作面由于煤柱應(yīng)力集中，巷道圍巖變形嚴(yán)重，對工作面的安全生產(chǎn)造成威脅，因此，如何合理選擇孤島工作面的煤柱寬度，采取合適的支護(hù)方法有效控制巷道圍巖變形，是孤島工作面安全、快速回收煤炭資源的關(guān)鍵[1-4]。本文以王莊煤礦8105孤島工作面為背景，采用數(shù)值模擬的方法，分析確定合理的煤柱留設(shè)寬度。

1 工作面概況及模型構(gòu)建

8105工作面位于王莊煤礦81采區(qū)，主采二疊系3號煤層，煤層厚度6.5 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采。煤層直接頂為0.82 m厚的泥巖，基本頂為11.74 m厚的中砂巖，直接底為0.82 m厚的粉砂巖，基本底為2.03 m厚的砂巖。8105工作面為孤島工作面，工作面采掘工程平面位置如圖1所示，本文選取8105運(yùn)巷，對其區(qū)段煤柱寬度留設(shè)進(jìn)行研究。

根據(jù)8105工作面的地質(zhì)條件，基于FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，模型尺寸為：300 m(長)×40 m(寬)×80 m(高)，模型各巖層力學(xué)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場所取巖塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果(見表1)，材料力學(xué)變形符合“摩爾-庫倫”準(zhǔn)則。模型上表面設(shè)定為應(yīng)力邊界，同時(shí)底邊界在垂直方向固定，兩側(cè)邊界和前后邊界水平方向固定。工作面回采巷道模擬斷面為5 m×3.2 m。對比分析不同煤柱寬度條件下兩幫垂直應(yīng)力分布規(guī)律，以及巷道圍巖變形規(guī)律，以此來確定合理的區(qū)段煤柱寬度。

圖1 8105工作面采掘工程平面

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2 不同煤柱寬度對兩幫垂直應(yīng)力分布特征的影響

本文設(shè)定的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，采用的煤柱寬度方案分別為4 m、6 m、8 m、12 m、15 m和30 m。在掘進(jìn)巷道且覆巖穩(wěn)定后分別監(jiān)測不同方案中巷道兩幫的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，將不同煤柱寬度方案下的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪圖，見圖2。對比分析，煤柱寬度對巷道兩幫內(nèi)的應(yīng)力分布影響非常明顯，并且也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

圖2 不同煤柱寬度沿空巷道兩側(cè)應(yīng)力分布

1) 隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的峰值呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，從4 m煤柱到12 m煤柱垂直應(yīng)力峰值由6 MPa增大到約25 MPa，而隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增大，垂直應(yīng)力峰值沒有發(fā)生明顯變化，趨于約30 MPa的穩(wěn)定狀態(tài)。另外，4 m煤柱的垂直應(yīng)力峰值明顯低于本文中設(shè)定的原巖應(yīng)力(11.7 MPa)，無法承載掘進(jìn)擾動(dòng)的側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力峰值，不利于巷道的長期穩(wěn)定。

2) 隨著煤柱寬度的增加，實(shí)體煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，但增大幅度較小，從4 m煤柱到12 m煤柱垂直應(yīng)力峰值由27 MPa增大到約32 MPa，12 m煤柱的實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力峰值達(dá)到最大。所以認(rèn)為12 m煤柱的實(shí)體煤幫內(nèi)處于高應(yīng)力環(huán)境，巷道圍巖不容易穩(wěn)定。

3) 隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值距巷道中心的距離也增加，從4 m煤柱時(shí)的3 m增大到30 m煤柱時(shí)的15 m；而實(shí)體煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值距巷道中心距離呈現(xiàn)先減小、后增大、而后又減小的趨勢，最小值為8 m煤柱距離為8.5 m，最大值為12 m煤柱的11.5 m。垂直應(yīng)力峰值距離巷道越近，表明煤體的承載能力越高。

綜上所述，當(dāng)煤柱留設(shè)為4 m時(shí)，由于受采動(dòng)擾動(dòng)影響煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力較低，失去了對頂板的承載能力不利于巷道圍巖的穩(wěn)定，因此其不是合理的煤柱留設(shè)方案。當(dāng)煤柱大于12m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值明顯增大，距離巷道較遠(yuǎn)，當(dāng)孤島工作面回采時(shí)，巷道產(chǎn)生的超前支承壓力將與垂直應(yīng)力產(chǎn)生相互疊加的效果，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。而當(dāng)煤柱留設(shè)寬度大于15m后，垂直應(yīng)力峰值沒有發(fā)生明顯變化，同時(shí)應(yīng)力峰值距離巷道中心較遠(yuǎn)，不符合優(yōu)化利用資源的基本原則。所以，王莊煤礦8105孤島工作面運(yùn)巷煤柱留設(shè)選擇6～8m為最優(yōu)，此時(shí)煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值在10.5～16.5MPa范圍內(nèi)，而實(shí)體煤內(nèi)峰值應(yīng)力在28～31.5MPa范圍內(nèi)。說明此時(shí)的護(hù)巷煤柱既可以發(fā)揮其一定的承載能力，同時(shí)從工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)壓力的分布規(guī)律來看，也可以長期存在于側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)，有利于維護(hù)巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

3 不同煤柱寬度巷道圍巖變形規(guī)律

不同煤柱寬度條件下，巷道圍巖變形模擬結(jié)果，見圖3。

1) 雖然4 m煤柱也處在最終巷道的側(cè)向采動(dòng)壓力的應(yīng)力降低區(qū)，但是由于其在掘進(jìn)過程中受到采動(dòng)擾動(dòng)的影響，失去了承載能力，導(dǎo)致其變形反而比之后的6 m或8 m煤柱要大。

2) 煤柱寬度留設(shè)為12～30 m時(shí)，巷道水平變形呈現(xiàn)先增大而后減小的規(guī)律。當(dāng)煤柱寬度為12～15 m時(shí)，由于其處于工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)應(yīng)力的峰值區(qū)，其最終的水平變形較6～8 m煤柱也較大。而從前文的分析可以看出，在煤柱寬度12 m之后，隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增大，護(hù)巷煤柱內(nèi)的支承壓力峰值會(huì)持續(xù)增大并最終趨于穩(wěn)定，且30 m煤柱留設(shè)的巷道變形量與6 m、8 m煤柱比較接近，但煤柱留設(shè)過大將不利于資源的高效回收利用。

3) 當(dāng)煤柱寬度取6～8 m范圍時(shí)，雖然其在掘進(jìn)受采動(dòng)擾動(dòng)期間會(huì)承受一定階段的側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力峰值影響，但是其將在掘進(jìn)后長期處于側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力的降低區(qū)，是有利于巷道長期穩(wěn)定的，從圖3中也可看出，留設(shè)6～8 m煤柱時(shí)巷道圍巖變形得到了有效的控制。

圖3 不同煤柱寬度巷道水平變形量

4 結(jié) 語

1) 4 m煤柱由于在掘進(jìn)期間無法承受側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力的影響失去了承載能力，導(dǎo)致其變形較大。同時(shí)，隨著煤柱留設(shè)寬度增大，巷道圍巖垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先增大而后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

2) 隨著留設(shè)煤柱寬度的增大，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)先減小、后增大、而后又減小的規(guī)律。煤柱寬度為12～15 m，圍巖長期處于工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)應(yīng)力峰值區(qū)，塑性區(qū)域偏大，不利于巷道的長期穩(wěn)定。雖然30 m煤柱時(shí)巷道圍巖受采動(dòng)影響小，但不利于資源的高效回收利用。

3) 通過對不同煤柱寬度下，巷道圍巖應(yīng)力變化，以及巷道的變形量進(jìn)行分析，建議8105孤島工作面運(yùn)巷側(cè)煤柱留設(shè)寬度為6～8 m。