孤島工作面區(qū)段煤柱寬度分析及礦壓特征分析

王世林

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司 伯方煤礦分公司， 山西 高平 048400)

山西蘭花科創(chuàng)集團(tuán)伯方煤礦3205綜放工作面位于3#煤層二盤區(qū)，工作面南部為3203工作面采空區(qū)，北部為3207工作面采空區(qū)，東側(cè)為二盤區(qū)大巷，西側(cè)為三盤區(qū)實體煤。根據(jù)工作面的賦存特征可知，3205工作面屬于孤島工作面，主采3#煤層，煤層均厚為4.71 m，平均傾角為6°，煤層頂板為中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖和泥巖，工作面采用綜放采煤工藝，采高為2.6 m. 為保障孤島綜放工作面圍巖的穩(wěn)定，對孤島綜放工作面進(jìn)行合理區(qū)段煤柱的分析，并對工作面回采期間礦壓特征進(jìn)行分析。

1 區(qū)段煤柱寬度分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對3205孤島綜放工作面區(qū)段煤柱的合理寬度進(jìn)行模擬分析，根據(jù)3205工作面的賦存特征，建立模型長750 m×寬400 m×高180 m，固定模型側(cè)邊的水平位移，底板垂直位移。模擬方案設(shè)置4種不同的區(qū)段煤柱寬度[1-3]，分別為4 m、6 m、8 m、10 m，分析不同區(qū)段煤柱寬度下圍巖的應(yīng)力及位移情況。

在不同區(qū)段煤柱寬度下，模擬方案的順序為：初始地應(yīng)力平衡→工作面回采巷道的開挖平衡→3203工作面回采→3207工作面回采→不同區(qū)段煤柱下本工作面的回采作業(yè)，并在模型從采空區(qū)向工作面實體煤側(cè)布置測線，測線的長度設(shè)置為100 m，模擬得出不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖，見圖1.

通過數(shù)值模擬結(jié)果及圖1可知，隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值也不斷增大，在區(qū)段煤柱寬度為4 m時，煤柱內(nèi)的峰值強度為6.7 MPa,垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離采空區(qū)1.6 m的位置；當(dāng)煤柱寬度增大為6 m時，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值增大為10 MPa，峰值增幅明顯，煤柱邊緣出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)，但煤柱整體并未破壞，在煤柱內(nèi)存在著彈性核區(qū)，此時煤柱內(nèi)整體的應(yīng)力水平較低；當(dāng)煤柱從6 m增大為10 m時，煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值也逐漸增大，由10 MPa增大為15.3 MPa；在煤柱寬度為8 m和10 m時，煤柱內(nèi)部同樣存在著彈性核區(qū)，但煤柱內(nèi)部的應(yīng)力水平較高，使煤柱易產(chǎn)生變形破壞，不利于煤柱的維護(hù)。

為充分分析不同煤柱寬度下圍巖的變形特征，在原設(shè)置煤柱寬度的基礎(chǔ)上，增設(shè)煤柱寬度為3 m、12 m時的模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出在不同煤柱寬度下，孤島綜放工作面回采巷道煤柱內(nèi)水平位移分布曲線及巷道表面位移，見圖2.

圖1 不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖2 不同煤柱寬度下煤柱水平位移及巷道表面位移曲線圖

由圖2a)可知：1) 煤柱寬度的增大導(dǎo)致煤柱向沿空掘巷內(nèi)的位移明顯減小，但3 m煤柱時，可能已發(fā)生變形破壞，不能保持煤柱自身的穩(wěn)定。2) 當(dāng)煤柱寬度處于3～8 m時，煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移與煤柱寬度呈正比例遞增關(guān)系；當(dāng)煤柱寬度超過8 m后，煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移與煤柱寬度呈反比例關(guān)系，主要是由于煤柱太寬導(dǎo)致其位于側(cè)向支撐壓力峰值影響區(qū)域內(nèi)。3) 煤柱寬度為 3 m 或 4 m 時，煤柱中部位移變化明顯，且呈非穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度為 6 m 時，其中部位移較小且基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度超過6 m后，煤柱中部雖出現(xiàn)大部分穩(wěn)定狀態(tài)，但煤柱向巷道內(nèi)的位移量卻遠(yuǎn)大于 6 m 煤柱時的位移量。

通過分析圖2b)巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏考拔灰品植伎芍S著煤柱寬度的變化，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)先減小，然后逐漸趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在煤柱寬度達(dá)到6 m時，巷道圍巖位移基本達(dá)到穩(wěn)定，巷道表面位移隨著煤柱寬度增大的影響逐漸減小。

基于上述分析，在保障3205孤島綜放工作面圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為充分提高煤炭的采出率，根據(jù)不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力及圍巖位移量的變形曲線，確定3205孤島工作面區(qū)段煤柱的寬度為6 m.

2 礦壓特征分析

2.1 測站布置

為有效分析3205孤島綜放工作面回采期間，工作面的礦壓特征，在3205工作面上部、中部和下部布置3個測區(qū)，其中上部測區(qū)為Ⅰ測區(qū)，監(jiān)測3臺液壓支架的工作阻力，分別為14#、28#和42#液壓支架；中部測區(qū)為Ⅱ測區(qū)，監(jiān)測4臺支架的工作阻力，分別為56#、70#、84#和98#；下部測區(qū)為Ⅲ測區(qū)，監(jiān)測3臺支架的工作阻力，分別為112#、126#和140#，礦壓監(jiān)測站布置方式見圖3.

圖3 3205工作面礦壓監(jiān)測站布置方式示意圖

2.2 礦壓規(guī)律分析

在進(jìn)行工作面回采期間頂板來壓判據(jù)的分析時，其主要參數(shù)為基本頂?shù)某醮蝸韷篖0和基本頂?shù)闹芷趤韷篖E. 當(dāng)采用液壓支架的工作阻力判定基本頂?shù)膩韷呵闆r時，可通過繪制并觀測工作面回采期間液壓支架的工作阻力曲線，以支架的時間加權(quán)阻力pt加上均方差δp作為判斷工作面基本頂?shù)膩韷翰骄郲4]：

p′t=pt+δp

(1)

基于上述分析，結(jié)合工作面采用的ZF-4400/17/28型液壓支架的各項參數(shù)，確定工作面基本頂?shù)膩韷号袚?jù)為30 MPa.

分析工作面回采期間礦壓監(jiān)測結(jié)果，得出不同測區(qū)支架的工作阻力曲線基本相同，現(xiàn)分別從每個測區(qū)中取一架支架進(jìn)行具體分析，分別取28#、84#和126#支架，分別代表工作面上部、中部和下部區(qū)域的礦壓特征，各支架的工作阻力曲線分別見圖4.

分析圖4可知，在礦壓監(jiān)測的30 d的范圍內(nèi)，工作面上部區(qū)域出現(xiàn)了4次來壓現(xiàn)象，分別為1次初次來壓和3次周期來壓，初次來壓的步距為20.2 m，周期來壓的步距為8.8～11.2 m，支架在非來壓期間和來壓期間的平均支護(hù)阻力分別為14.3 MPa和28.9 MPa，支架的時間加權(quán)阻力動載系數(shù)的平均值為1.73；工作面中部84#支架，在監(jiān)測期間同樣出現(xiàn)了3次周期來壓和1次初次來壓現(xiàn)象，初次來壓為24.2 m，周期來壓步距為9.6～11.2 m，支架在非來壓期間和來壓期間的平均支護(hù)阻力分別為16.35 MPa和26.09 MPa，平均動載系數(shù)為1.64；工作面下部126#支架初次來壓步距為20.8 m，周期來壓步距為8.8～10.4 m，同樣出現(xiàn)了3次周期來壓現(xiàn)象，支架在非來壓期間和來壓期間的平均支護(hù)阻力分別為14.05 MPa和24.63 MPa，支架的平均動載系數(shù)為1.75.

圖4 工作面不同區(qū)域液壓支架的工作阻力曲線圖

基于上述分析可知，在3205孤島綜放工作面回采期間，工作面兩端頭的初次來壓步距約為20.5 m，工作面中部區(qū)域的來壓步距約為23.8 m，工作面上部和下部區(qū)域在來壓期間支架的最大工作阻力為36.8 MPa，工作面中部區(qū)域在來壓期間最大的工作阻力為30.3 MPa. 可見，工作面上部和下部在頂板出現(xiàn)來壓現(xiàn)象時，其來壓強度比中部區(qū)域的來壓強度較大，故在工作面回采過程中，應(yīng)加強工作面兩端頭的頂板管理。

3 結(jié) 論

根據(jù)3205孤島綜放工作面的具體特征，通過數(shù)值模擬的方式分析了3205區(qū)段煤柱在不同寬度時，圍巖垂直應(yīng)力和圍巖位移量的變化規(guī)律，確定了區(qū)段煤柱寬度為6 m，并在工作面回采期間進(jìn)行礦壓監(jiān)測分析，得出工作面兩端頭的初次來壓步距平均為20.5 m，中部初次來壓步距約為23.8 m，工作面基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘣?.8～11.2 m，工作面回采時，應(yīng)加強兩端頭頂板的支護(hù)和管理作業(yè)。