孤島工作面區段煤柱承載特性演化規律研究

李天龍

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

隨著煤炭資源的枯竭，如何盡可能多地開采煤炭資源，是當前急需解決的問題，對孤島工作面進行開采成為解決這一難題的有效方法之一[1-3]。孤島工作面煤柱應力集中水平較大，礦壓規律顯現較為明顯，巷道圍巖變形破壞嚴重，易自然發火[4]。破壞巷道需要多次翻修和加強支護，不僅增加成本而且威脅安全高效生產[5]。

國內學者在孤島工作面沿空掘巷煤柱寬度確定和圍巖穩定性控制方面開展了大量的研究。針對沿空掘巷上覆巖層結構特征，提出了綜放沿空掘巷上覆巖層“大小結構”的觀點，在“大結構”穩定的前提下，錨(索)桿與圍巖組成的“小結構”是決定巷道能否穩定的關鍵[6-8]。針對沿空掘巷煤柱寬度的確定，提出了很多合理的方法，主要包括：①對工程案例歸納推理，得出不同圍巖條件下合理的煤柱寬度；②采用數值模擬軟件對巷道圍巖變形和應力分布特征進行分析，確定合理的煤柱寬度。③建立巷道圍巖力學結構模型，利用極限平衡理論推導出護巷煤柱保持穩定狀態時的寬度范圍[9-10]。在沿空掘巷穩定性控制方面，研發了高強、高預緊力、高延伸率錨桿(索)支護系統和恒阻大變形錨索等支護技術來控制圍巖穩定[11-13]。

基于此，文章借助UDEC數值模擬方法，以某礦孤島工作面為工程背景，進行區段煤柱承載特性演化規律研究，確定合理的沿空掘巷煤柱寬度。

1 工程背景及模型構建

某礦3號煤層為綜合機械化放頂煤開采，煤層厚度平均為6.5 m，傾角平均3°，其中8105工作面走向長度2 400 m，工作面寬度230 m；8103工作面走向長度2 200 m，工作面寬度210 m；8106工作面走向長度2 600 m，工作面寬度220 m。試驗巷道為8105孤島工作面進風巷，一側為實體煤幫，另一側為采空區，為了改善沿空巷道的維護條件，進行煤柱承載特性演化規律研究，8105工作面采掘工程平面圖、綜合鉆孔柱狀圖分別如圖1和圖2所示(圖2根據鉆孔王-109資料顯示該區域3號煤層頂底板巖性。鉆孔地面標高931.3 m，3號煤層底板標高664.54 m)。

圖1 8105 工作面采掘工程平面

圖2 8105 工作面綜合鉆孔柱狀

根據以上參數，結合8105工作面生產地質條件建立數值計算模型，采用摩爾庫倫本構模型，模型尺寸為180 m×70 m，進風巷斷面為5 m×3.2 m，模型左右邊界及底部固定，如圖3和圖4所示。設計Trigon數值模擬方案，對比分析不同煤柱寬度(5 m、7 m、10 m)下，巷道全動壓過程中煤柱內裂隙擴展規律及承載特性演化規律，來確定合理的煤柱寬度，計算過程為：建立數值計算模型—原巖應力平衡計算—8103、8106工作面回采計算—計算結果輸出與分析—8105巷道掘進—計算結果輸出與分析。

圖4 UDEC數值模型示意

2 掘進期間不同寬度煤柱承載特性演化規律

借助數值模擬方法，對比分析不同寬度(5 m、7 m、10 m)煤柱時，巷道掘進期間圍巖應力演化特征和裂隙擴展特征，研究煤柱的承載特性。

2.1 掘進期間不同寬度煤柱內應力分布規律

8105工作面進風巷掘進期間，不同寬度煤柱對應的巷道圍巖垂直應力云圖和曲線圖分別如圖5和圖6所示，可以看出：

圖5 掘進期間不同寬度煤柱內垂直應力云圖

圖6 掘進期間不同寬度煤柱內垂直應力曲線

1) 8105工作面進風巷掘進后，巷道圍巖應力重新分布，預留不同寬度區段煤柱時，巷道圍巖垂直應力存在一定差異，煤柱內部垂直應力云圖對稱分布，隨著區段煤柱寬度的增大，煤柱內垂直應力峰值也逐漸增大。

2) 隨著區段煤柱寬度的增大，煤柱內垂直應力峰值增大，煤柱寬度為5 m時，煤柱內垂直應力峰值為6 MPa低于原巖應力；當煤柱寬度為7 m時，煤柱內垂直應力峰值8 MPa，煤柱內應力略小于原巖應力；當煤柱寬度為10 m時，煤柱內垂直應力峰值為11 MPa左右，煤柱內應力峰值接近原巖應力。

2.2 掘進期間不同寬度煤柱內裂隙分布規律

不同區段煤柱寬度下，8105工作面進風巷掘進期間巷道幫部裂隙擴展規律如圖7所示。

圖7 掘進期間不同寬度煤柱內裂隙分布

由圖7可以得出以下結論：

1) 當采用不同寬度煤柱時，煤柱內裂隙擴展范圍不同，煤柱內的裂隙區分布呈現明顯的對稱性；隨著煤柱寬度的增加，煤柱內的裂隙擴展深度逐漸減小，其中張拉裂隙主要分布在煤柱兩側的表面，剪切裂隙主要分布在煤柱深部。

2) 當煤柱寬度為5 m時，張拉裂隙主要分布在巷道的表面，煤柱中心出現大量剪切裂隙，裂隙幾近貫通，煤體基本失去承載能力；當煤柱寬度為7 m時，存在完整的承載煤體區域，此時煤體處于塑性承載狀態；當煤柱寬度為10 m時，巷道兩幫的張拉裂隙與剪切裂隙不再擴展，煤柱中部存在一定的彈性承載核。

3 回采期間不同寬度煤柱承載特性演化規律

借助數值模擬方法，對比分析不同寬度(5 m、7 m、10 m)煤柱時，巷道回采期間圍巖應力演化特征和裂隙擴展特征，確定合理的煤柱寬度。

3.1 回采期間不同寬度煤柱內應力分布規律

不同區段煤柱寬度下，8105工作面回采期間煤柱內垂直應力云圖如圖8所示，可以看出：煤柱寬度為5 m時，煤柱中部垂直應力峰值大小為8 MPa，低于原巖應力；當煤柱寬度為7 m時，煤柱中部垂直應力峰值接近原巖應力，具備一定的承載能力；當煤柱寬度為10 m時，煤柱中部垂直應力峰值為26 MPa，應力集中系數為2.3，煤柱處于應力增高區。

圖8 回采期間不同寬度煤柱內垂直應力云圖

3.2 回采期間不同寬度煤柱內裂隙分布規律

不同區段煤柱寬度下，8105工作面回采期間煤柱裂隙擴展規律如圖9所示。破壞程度隨煤柱寬度的增大而減弱。當煤柱寬度為5 m時，煤柱內的剪切破壞嚴重，剪切和張拉裂隙相互貫通，基本失去承載能力；當煤柱寬度為7 m時，煤柱內存在裂隙閉合區，煤體處于塑性承載狀態；當煤柱寬度為10 m時，煤柱內應力較大，并且存在裂隙閉合區，煤柱中部存在一定的彈性承載核。

圖9 回采期間不同寬度煤柱內裂隙分布

4 煤柱寬度確定及工業性實驗

綜上所述，當煤柱寬度取7 m時，煤柱位于側向支承壓力與原巖應力疊加的應力降低區，處于塑性承載狀態，具備一定的承載能力，有利于巷道長期穩定，同時考慮現場施工情況，最終確定了8105工作面進風巷的護巷煤柱寬度為7.0 m。

為了驗證7 m煤柱的合理性，在進風巷設置測站，對圍巖表面位移、錨桿(索)受力情況進行觀測并對巷道圍巖變形進行分析，礦壓觀測結果以及圍巖控制效果分別如圖10、圖11和圖12所示。

圖10 掘進期間巷道表面變形情況

圖11 掘進期間錨桿錨索受力情況

圖12 巷道圍巖控制效果

從圖10可以看出：8105工作面進風巷在掘進期間，隨著距掘進迎頭距離的增加，巷道頂板移近量最大值為150 mm，底鼓量為145 mm左右，兩幫移近量為 325 mm 左右，巷道圍巖變形趨于穩定。

從圖11可以看出：隨著掘進迎頭的推進，試驗巷道內錨桿(索)受力逐漸增大并最終趨于穩定。

從圖12的8105工作面進風巷的現場照片，可以看出巷道圍巖變形較小，整體控制效果較好。

5 結 語

文章采用數值模擬方法，分析了掘進和回采期間不同寬度煤柱內應力和裂隙分布規律，得到了孤島工作面區段煤柱承載特性演化規律，主要結論為:

1) 借助離散元數值軟件UDEC 6.0對煤柱內裂隙擴展規律和應力分布規律進行研究，得出：煤柱為5 m時，裂隙擴展貫通，煤柱失去承載能力；煤柱為7 m時，處于側向采動壓力的壓力減低區，存在裂隙閉合區，為塑性承載狀態；煤柱為10 m時，煤柱處于彈性承載狀態。綜合考慮施工安全與資源回收，最終確定煤柱寬度為7 m。

2) 借助工業性實驗觀測試驗巷道在掘巷和回采期間的圍巖活動規律，得出：8105工作面進風巷掘進期間，巷道整體變形量在預計范圍內，錨桿(索)受力逐漸增大并最終趨于穩定，整體控制效果較好。