高應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象，采用理論分析和數值模擬對工作面回風巷隔水煤柱寬度留設進行了研究。研究結果表明：高應力條件下隔水煤柱留設20m滿足理論要求，符合防治水規定。回風巷隔水煤柱留設25m，使巷道明顯處于應力降低區，有利于巷道圍巖控制及災害預防，研究成果為高應力條件下的隔水煤柱留設提供參考。

關鍵詞：孤島工作面;高應力;隔水煤柱;應力分布

中圖分類號：TD822.3????????文獻標識碼：A

收稿日期：2020-04-07

作者簡介：李昌虎（1986-），男，副礦長，研究方向：采礦工程。

1 引言

孤島工作面巷道掘進及工作面回采期間，由于受到兩側大面積采空影響，導致工作面礦壓顯現比非孤島工作面明顯，從而影響到護巷煤柱寬度的選擇，因此研究高應力條件下孤島工作面護巷煤柱寬度對于煤礦現場圍巖控制及災害防治具有指導意義。本文以4206孤島工作面為研究對象，從應力分布和防水要求兩個方面考慮，研究了工作面回風巷護巷煤柱的合理寬度，為類似條件下的護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（臨近回風平巷），已開采，北界為4204工作面（臨近運輸平巷），已開采，東界為42盤區安裝通道，西界為42盤區輔運、膠帶、總回風大巷[1]。

臨近的4204工作面巷道在掘進和使用過程中，底鼓大，兩幫變形量大，頂板下沉嚴重。同時，4208工作面上下起伏且頂板存在漏水問題，在4208采空區低點已形成15m水頭的積水，工作面回風平巷采用留防水煤柱掘巷布置巷道，防止采空區積水可能會滲透煤柱對4206工作面掘進及回采造成影響。因此4206孤島工作面面臨高應力及采空區積水威脅。

3防水煤柱寬度理論分析

3.1采動影響下梁的理論

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

4防水煤柱寬度數值模擬分析

經理論計算，防水要求應達到19m，按照規定要求，可選取20m，但考慮到該工作面為孤島工作面，高應力必然會對煤柱的穩定性產生影響，因此需要通過數值模擬手段進行分析應力對煤柱留設的影響。

4.1模型建立

設計4206工作面及運輸平巷、回風平巷模型大小為：長×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、兩側距離邊界50m處。4206工作面埋深為500m左右，工作面處原巖應力為13.6MPa。

4.2模擬結果分析

（1）側向支承壓力分布特點

4206工作面回采形成側向支承壓力，對沿空掘巷所留煤柱的穩定造成直接影響，側向支承壓力分布如圖1所示。

在0到5m之間，垂直應力逐漸上升，上升速度較快，不適宜留設煤柱;在5到10m之間，垂直應力下降，下降速度較快，不適宜留設煤柱;在10到25m之間，應力集中系數曲線較為平穩，在加強支護的前提下，可以考慮留設煤柱，距離采空區25m的位置，應力集中系數為1.03，到達原巖應力區。

（2）20-25m煤柱留設分析

從側向支承壓力分布特點可以發現，按照理論計算，將煤柱寬度留設20m在加強支護前提下可以正常使用，但留設25m煤柱可大大降低風險，因此本節重點分析工作面采掘期間20m-25m煤柱之間的穩定性。

巷道掘進期間各煤柱寬度下巷道圍巖穩定性如表1所示。可以發現，當煤柱寬度為25m時，巷道變形曲線趨于平穩，隨著煤柱寬度增加，圍巖變形量繼續減小但變化不明顯。具體表現為：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定性如表2所示。跟掘進期間類似，煤柱寬度留設到25m時，巷道圍巖穩定性明顯變好，因此從應力角度看，回風巷隔水煤柱留設25m較為合理。

5 結語

（1）高應力條件下的隔水煤柱寬度需要同時考慮理論防水要求和應力分布的影響。

（2）根據采動影響下梁的理論和極限平衡理論計算，孤島工作面回風巷20m隔水煤柱滿足需求。

（3）考慮孤島工作面高應力影響，回風巷隔水煤柱留設25可明顯降低風險，有利于巷道圍巖穩定。

參考文獻：

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

[2]王永紅，沈文.中國煤礦水害預防及治理[M].煤炭工業出版社，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