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 協莊煤礦，山東 泰安 271200)

當待開采工作面周圍均為采空區時，煤柱內應力集中程度大，在上覆巖層自重作用下可能處于塑性破壞狀態，極易造成礦山災害事故，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，側向應力明顯，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，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力分布復雜、圍巖支護困難等問題，國內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]采用理論分析和數值模擬相結合的方法，以河南趙固煤礦某盤區孤島工作面為背景，計算了煤柱屈服寬度，通過FLAC3D分析了該工作面應力分布特征；趙寧[4]以煤礦實際工程條件建立了UDEC數值模型，分析了孤島工作面回采巷道沿空掘巷圍巖應力分布和移近量特征，結合理論計算確定了沿空留巷護巷煤柱合理留設寬度，并與實際監測數據進行了對比；周賢等[5]以下溝煤礦運輸巷為背景，通過圍巖分析、現場鉆孔窺視監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“錨網索+鋼帶+金屬網+注漿”聯合支護技術，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條件，采用理論研究、建模分析和工程實地測試結合的方法探究孤島工作面礦壓顯現機理，分析卸壓孔相關技術參數對巷道塑性區的影響。

孤島工作面回采時，巷道應力疊加影響下分布特征更為復雜，巷道片幫現象頻發，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力分布和塑性區特征，并給出了煤柱合理寬度，并在現場成功進行應用，為相似條件下煤柱寬度的選取提供了依據。

1 數值模型及方案

山東能源協莊煤礦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，開采范圍內煤層結構簡單，無斷層等構造結構，工作面采高約4.6 m.基于室內試驗標定各巖層物理力學參數，采用Mohr-Coulomb 本構模型，對四周邊界約束水平位移，下部邊界約束垂直位移，詳細參數見表1.基于現場鉆孔資料，采用FLAC3D模擬軟件，考慮模型邊界效應，建立尺寸為800 m×500 m×700 m的數值模型，見圖1.

圖1 數值模型及模擬方案

表1 各類巖層物理力學參數

數值模型計算時，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力分布特征，設置10 m、20 m、30 m、40 m的煤柱寬度方案進行模擬。

2 模擬結果分析

2.1 401工作面應力分布特征

為分析不同煤柱寬度下401工作面回采后圍巖應力分布變化規律，以401工作面所在水平為切面，通過FLAC內置的FISH語言輸出平面上應力數據，導入surfer進行后處理，繪制了不同工況下應力分布云圖，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，將所有方案中應力最大和最小值設置為相同值。

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

圖2 煤柱應力分布規律

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

圖3 工作面最大水平應力

由煤柱最大應力值變化規律可以看出，當煤柱寬度為10 m、20 m、30 m和40 m時，南側煤柱最大水平應力分別為25.6 MPa、22.2 MPa、19.9 MPa和18.7 MPa，分別降低了13%、10.5%和6.2%；北側煤柱最大水平應力分別為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，最大水平應力值逐漸減低并趨于穩定，煤柱寬度為30 m和40 m時，最大水平應力值差別不大。考慮煤炭回采經濟效益，可以認為30 m的煤柱寬度為合理留設寬度。

2.2 401工作面塑性區分布特征

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分布圖，如圖4所示。

圖4 工作面塑性區分布規律

當煤柱寬度為10 m和20 m時，相鄰工作面間煤柱全部出現塑性破壞，此時煤柱基本失去承載能力，極易發生礦山災害。當煤柱寬度為30 m和40 m時，相鄰工作面間煤柱兩側出現塑性破壞，而中心未出現塑性破壞，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濟效益，確定合理煤柱寬度為30 m，這樣既能通過留設合理的煤柱寬度來防止沖擊地壓災害的發生，又能充分回收煤炭資源。

3 工程應用

根據數值模擬結果并結合現場工程地質條件，設計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力進行了現場監測，結果表明：工作面回采過程中，煤柱所受垂直應力最大值較符合數值模擬結果，巷道變形量基本滿足要求，整個工作面回采過程中未出現巷道片幫嚴重和頂底板事故，保證了安全開采，取得了明顯的經濟效益。

4 結 語

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

1) 當煤柱寬度由10 m增加至40 m時，相鄰工作面兩側高應力區范圍以及對大巷應力分布的影響逐漸減小。其中，孤島工作面兩側煤柱最大水平應力分別降低了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出現塑性破壞，而中心未出現塑性破壞，煤柱仍具有承載能力，能夠滿足工作面安全回采要求。

3) 綜合分析應力和塑性區分布特征，同時考慮煤炭采出率和經濟效益，確定合理煤柱寬度為30 m；現場監測結果表明，工作面回采過程中未出現頂底板事故，實現了孤島工作面的安全生產。