高應(yīng)力條件下孤島工作面隔水煤柱寬度研究

李昌虎　李高奇

摘要：以4206孤島綜放工作面為研究對(duì)象，采用理論分析和數(shù)值模擬對(duì)工作面回風(fēng)巷隔水煤柱寬度留設(shè)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：高應(yīng)力條件下隔水煤柱留設(shè)20m滿足理論要求，符合防治水規(guī)定?；仫L(fēng)巷隔水煤柱留設(shè)25m，使巷道明顯處于應(yīng)力降低區(qū)，有利于巷道圍巖控制及災(zāi)害預(yù)防，研究成果為高應(yīng)力條件下的隔水煤柱留設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：孤島工作面;高應(yīng)力;隔水煤柱;應(yīng)力分布

中圖分類號(hào)：TD822.3????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2020-04-07

作者簡(jiǎn)介：李昌虎（1986-），男，副礦長(zhǎng)，研究方向：采礦工程。

1 引言

孤島工作面巷道掘進(jìn)及工作面回采期間，由于受到兩側(cè)大面積采空影響，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)比非孤島工作面明顯，從而影響到護(hù)巷煤柱寬度的選擇，因此研究高應(yīng)力條件下孤島工作面護(hù)巷煤柱寬度對(duì)于煤礦現(xiàn)場(chǎng)圍巖控制及災(zāi)害防治具有指導(dǎo)意義。本文以4206孤島工作面為研究對(duì)象，從應(yīng)力分布和防水要求兩個(gè)方面考慮，研究了工作面回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱的合理寬度，為類似條件下的護(hù)巷煤柱寬度選擇提供參考。

2?工程背景

4206工作面位于42盤區(qū)東部，工作面呈西南—東北方向布置，其南為4208工作面（臨近回風(fēng)平巷），已開采，北界為4204工作面（臨近運(yùn)輸平巷），已開采，東界為42盤區(qū)安裝通道，西界為42盤區(qū)輔運(yùn)、膠帶、總回風(fēng)大巷[1]。

臨近的4204工作面巷道在掘進(jìn)和使用過(guò)程中，底鼓大，兩幫變形量大，頂板下沉嚴(yán)重。同時(shí)，4208工作面上下起伏且頂板存在漏水問(wèn)題，在4208采空區(qū)低點(diǎn)已形成15m水頭的積水，工作面回風(fēng)平巷采用留防水煤柱掘巷布置巷道，防止采空區(qū)積水可能會(huì)滲透煤柱對(duì)4206工作面掘進(jìn)及回采造成影響。因此4206孤島工作面面臨高應(yīng)力及采空區(qū)積水威脅。

3防水煤柱寬度理論分析

3.1采動(dòng)影響下梁的理論

以梁理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合礦壓因素，主要是考慮采后動(dòng)壓對(duì)煤柱的破壞作用，研究了老空水下防水煤柱的留設(shè)。提出了老窯積水大傾角隔離煤柱留設(shè)的修正公式：

4防水煤柱寬度數(shù)值模擬分析

經(jīng)理論計(jì)算，防水要求應(yīng)達(dá)到19m，按照規(guī)定要求，可選取20m，但考慮到該工作面為孤島工作面，高應(yīng)力必然會(huì)對(duì)煤柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此需要通過(guò)數(shù)值模擬手段進(jìn)行分析應(yīng)力對(duì)煤柱留設(shè)的影響。

4.1模型建立

設(shè)計(jì)4206工作面及運(yùn)輸平巷、回風(fēng)平巷模型大小為：長(zhǎng)×寬×高=800×300×40m，4204工作面左邊界和4208工作面右邊界分別位于模型左、兩側(cè)距離邊界50m處。4206工作面埋深為500m左右，工作面處原巖應(yīng)力為13.6MPa。

4.2模擬結(jié)果分析

（1）側(cè)向支承壓力分布特點(diǎn)

4206工作面回采形成側(cè)向支承壓力，對(duì)沿空掘巷所留煤柱的穩(wěn)定造成直接影響，側(cè)向支承壓力分布如圖1所示。

在0到5m之間，垂直應(yīng)力逐漸上升，上升速度較快，不適宜留設(shè)煤柱;在5到10m之間，垂直應(yīng)力下降，下降速度較快，不適宜留設(shè)煤柱;在10到25m之間，應(yīng)力集中系數(shù)曲線較為平穩(wěn)，在加強(qiáng)支護(hù)的前提下，可以考慮留設(shè)煤柱，距離采空區(qū)25m的位置，應(yīng)力集中系數(shù)為1.03，到達(dá)原巖應(yīng)力區(qū)。

（2）20-25m煤柱留設(shè)分析

從側(cè)向支承壓力分布特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，按照理論計(jì)算，將煤柱寬度留設(shè)20m在加強(qiáng)支護(hù)前提下可以正常使用，但留設(shè)25m煤柱可大大降低風(fēng)險(xiǎn)，因此本節(jié)重點(diǎn)分析工作面采掘期間20m-25m煤柱之間的穩(wěn)定性。

巷道掘進(jìn)期間各煤柱寬度下巷道圍巖穩(wěn)定性如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度為25m時(shí)，巷道變形曲線趨于平穩(wěn)，隨著煤柱寬度增加，圍巖變形量繼續(xù)減小但變化不明顯。具體表現(xiàn)為：煤柱寬度20m變化到25m，巷道煤柱幫變形量由191減少到53mm，下降了72.3%，巷道實(shí)體煤幫變形量由100減少到59mm，下降了41.0%，巷道頂板下沉量由183減少到110mm，下降了34.4%，巷道煤柱幫變形量由118減少到52mm，下降了55.9%，選擇煤柱寬度為25m。

巷道回采期間各煤柱寬度下巷道圍巖穩(wěn)定性如表2所示。跟掘進(jìn)期間類似，煤柱寬度留設(shè)到25m時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定性明顯變好，因此從應(yīng)力角度看，回風(fēng)巷隔水煤柱留設(shè)25m較為合理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）高應(yīng)力條件下的隔水煤柱寬度需要同時(shí)考慮理論防水要求和應(yīng)力分布的影響。

（2）根據(jù)采動(dòng)影響下梁的理論和極限平衡理論計(jì)算，孤島工作面回風(fēng)巷20m隔水煤柱滿足需求。

（3）考慮孤島工作面高應(yīng)力影響，回風(fēng)巷隔水煤柱留設(shè)25可明顯降低風(fēng)險(xiǎn)，有利于巷道圍巖穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永明.水體下急傾斜煤層充填開采覆巖穩(wěn)定性及合理防水煤柱研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

[2]王永紅，沈文.中國(guó)煤礦水害預(yù)防及治理[M].煤炭工業(yè)出版社，1996.

Abstract： Taking 4206 isolated island fully mechanized top coal caving face as the research object， the theoretical analysis and numerical simulation were used to study the width retention of the coal pillars in the return airway of the face. The results of the study show that： under high-stress conditions， leaving 20m of water-proof coal pillars meets the theoretical requirements and meets the water control regulations. Retaining 25m of coal pillars in return air lanes will make the tunnel obviously in the stress reduction zone， which is conducive to the surrounding rock control and disaster prevention of the tunnel.

Keywords： Isolated island working face; High stress; Impermeable coal pillar;Stress distribution