孤島工作面回采合理煤柱寬度研究

臧敦龍，董士瑩，齊明友，薛 巖，吳夫星，劉云峰

(山東能源集團新礦集團 協(xié)莊煤礦，山東 泰安 271200)

當待開采工作面周圍均為采空區(qū)時，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度大，在上覆巖層自重作用下可能處于塑性破壞狀態(tài)，極易造成礦山災(zāi)害事故，此類工作面也稱為孤島工作面。孤島工作面回采時，巷道圍巖變形大，側(cè)向應(yīng)力明顯，給支護帶來極大困難，合理的煤柱寬度可以保證煤柱承載能力，有利于工作面安全生產(chǎn)，因此對孤島工作面回采合理煤柱寬度的研究是十分必要的[1-2]。

為解決孤島工作面應(yīng)力分布復(fù)雜、圍巖支護困難等問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究，且取得了較為豐富的成果。武宗剛[3]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以河南趙固煤礦某盤區(qū)孤島工作面為背景，計算了煤柱屈服寬度，通過FLAC3D分析了該工作面應(yīng)力分布特征；趙寧[4]以煤礦實際工程條件建立了UDEC數(shù)值模型，分析了孤島工作面回采巷道沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布和移近量特征，結(jié)合理論計算確定了沿空留巷護巷煤柱合理留設(shè)寬度，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比；周賢等[5]以下溝煤礦運輸巷為背景，通過圍巖分析、現(xiàn)場鉆孔窺視監(jiān)測等方法確定了影響運輸巷圍巖變形嚴重的主要因素，提出了“錨網(wǎng)索+鋼帶+金屬網(wǎng)+注漿”聯(lián)合支護技術(shù)，并通過FLAC3D軟件模擬證明其可行性；郭靖等[6]基于晉能塔山礦8310厚層堅硬頂板孤島工作面地質(zhì)條件，采用理論研究、建模分析和工程實地測試結(jié)合的方法探究孤島工作面礦壓顯現(xiàn)機理，分析卸壓孔相關(guān)技術(shù)參數(shù)對巷道塑性區(qū)的影響。

孤島工作面回采時，巷道應(yīng)力疊加影響下分布特征更為復(fù)雜，巷道片幫現(xiàn)象頻發(fā)，有必要研究孤島工作面合理煤柱寬度，保證工作面安全回采。針對此問題，本文以山東能源協(xié)莊煤礦401工作面為背景，通過FLAC3D研究了孤島工作面回采后巷道圍巖應(yīng)力分布和塑性區(qū)特征，并給出了煤柱合理寬度，并在現(xiàn)場成功進行應(yīng)用，為相似條件下煤柱寬度的選取提供了依據(jù)。

1 數(shù)值模型及方案

山東能源協(xié)莊煤礦401工作面周邊為已回采的3411E工作面和3407工作面以及-550水平東翼回風巷，為典型的孤島工作面。煤層埋深約553 m，開采范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單，無斷層等構(gòu)造結(jié)構(gòu)，工作面采高約4.6 m.基于室內(nèi)試驗標定各巖層物理力學參數(shù)，采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，對四周邊界約束水平位移，下部邊界約束垂直位移，詳細參數(shù)見表1.基于現(xiàn)場鉆孔資料，采用FLAC3D模擬軟件，考慮模型邊界效應(yīng)，建立尺寸為800 m×500 m×700 m的數(shù)值模型，見圖1.

圖1 數(shù)值模型及模擬方案

表1 各類巖層物理力學參數(shù)

數(shù)值模型計算時，首先開挖水平大巷，隨后開挖3407工作面，采高5 m，工作面斜長100 m，走向長度470 m.然后開采3411工作面，采高5 m，工作面斜長100 m，走向長400 m.為研究孤島工作面不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力分布特征，設(shè)置10 m、20 m、30 m、40 m的煤柱寬度方案進行模擬。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 401工作面應(yīng)力分布特征

為分析不同煤柱寬度下401工作面回采后圍巖應(yīng)力分布變化規(guī)律，以401工作面所在水平為切面，通過FLAC內(nèi)置的FISH語言輸出平面上應(yīng)力數(shù)據(jù)，導入surfer進行后處理，繪制了不同工況下應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。為了更好的分析煤柱寬度對巷道應(yīng)力分布的影響，以煤柱寬度為10 m的方案為基準，將所有方案中應(yīng)力最大和最小值設(shè)置為相同值。

如圖2(a)所示，當煤柱寬度為10 m時，高應(yīng)力區(qū)分布范圍最廣，受應(yīng)力疊加影響，相鄰工作面間應(yīng)力集中程度極高，同時對大巷兩側(cè)應(yīng)力分布均有明顯影響；當煤柱寬度為20 m時，3407和3411工作面外側(cè)高應(yīng)力區(qū)較10 m方案顯著縮小，大巷兩側(cè)應(yīng)力分布也相對減小，如圖2(b)所示；當煤柱寬度為30 m時，工作面高應(yīng)力區(qū)進一步縮小，孤島工作面開挖導致的大巷兩側(cè)應(yīng)力集中逐漸消失，如圖2(c)所示；當煤柱寬度增加至40 m時，如圖2(d)所示，相鄰工作面間煤柱應(yīng)力集中程度顯著減小，高應(yīng)力區(qū)范圍達到最小值，大巷幾乎不受孤島工作面開采影響。

圖2 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

取不同煤柱寬度下，孤島工作面與南側(cè)3411工作面以及孤島工作面與北側(cè)3407工作面間煤柱水平應(yīng)力最大值繪制曲線，如圖3所示。

圖3 工作面最大水平應(yīng)力

由煤柱最大應(yīng)力值變化規(guī)律可以看出，當煤柱寬度為10 m、20 m、30 m和40 m時，南側(cè)煤柱最大水平應(yīng)力分別為25.6 MPa、22.2 MPa、19.9 MPa和18.7 MPa，分別降低了13%、10.5%和6.2%；北側(cè)煤柱最大水平應(yīng)力分別為25.6 MPa、22.2 MPa、19.8 MPa和18.6 MPa，分別降低了13%、10.5%和6.2%.

由曲線變化趨勢可以看出，隨著煤柱寬度由10 m增加至40 m，最大水平應(yīng)力值逐漸減低并趨于穩(wěn)定，煤柱寬度為30 m和40 m時，最大水平應(yīng)力值差別不大?？紤]煤炭回采經(jīng)濟效益，可以認為30 m的煤柱寬度為合理留設(shè)寬度。

2.2 401工作面塑性區(qū)分布特征

為分析不同寬度下煤柱承載能力及破壞特征，繪制了各方案下工作面巷道圍巖塑性區(qū)分布圖，如圖4所示。

圖4 工作面塑性區(qū)分布規(guī)律

當煤柱寬度為10 m和20 m時，相鄰工作面間煤柱全部出現(xiàn)塑性破壞，此時煤柱基本失去承載能力，極易發(fā)生礦山災(zāi)害。當煤柱寬度為30 m和40 m時，相鄰工作面間煤柱兩側(cè)出現(xiàn)塑性破壞，而中心未出現(xiàn)塑性破壞，此時煤柱仍具有承載能力，能夠滿足工作面安全回采要求。綜合分析以上因素，同時考慮煤炭采出率和經(jīng)濟效益，確定合理煤柱寬度為30 m，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。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，設(shè)計401孤島工作面煤柱寬度為30 m.工作面回采過程中對巷道變形量及煤柱垂直應(yīng)力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明：工作面回采過程中，煤柱所受垂直應(yīng)力最大值較符合數(shù)值模擬結(jié)果，巷道變形量基本滿足要求，整個工作面回采過程中未出現(xiàn)巷道片幫嚴重和頂?shù)装迨鹿?，保證了安全開采，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 語

針對孤島工作面開采時巷道應(yīng)力分布復(fù)雜等問題，基于山東能源協(xié)莊煤礦401工作面實際工程條件建立了數(shù)值模型，分析了不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征，給出了合理煤柱寬度，主要結(jié)論如下：

1) 當煤柱寬度由10 m增加至40 m時，相鄰工作面兩側(cè)高應(yīng)力區(qū)范圍以及對大巷應(yīng)力分布的影響逐漸減小。其中，孤島工作面兩側(cè)煤柱最大水平應(yīng)力分別降低了13%、10.5%和6.2%.

2) 當煤柱寬度為10 m和20 m時，相鄰工作面間煤柱全部出現(xiàn)塑性破壞，煤柱基本失去承載能力；當煤柱寬度為30 m和40 m時，相鄰工作面間煤柱兩側(cè)出現(xiàn)塑性破壞，而中心未出現(xiàn)塑性破壞，煤柱仍具有承載能力，能夠滿足工作面安全回采要求。

3) 綜合分析應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征，同時考慮煤炭采出率和經(jīng)濟效益，確定合理煤柱寬度為30 m；現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，工作面回采過程中未出現(xiàn)頂?shù)装迨鹿?，實現(xiàn)了孤島工作面的安全生產(chǎn)。