“刀把”工作面附近孤島煤柱穩(wěn)定性分析

張經(jīng)龍 李 瑤 戴洪泰

（1.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272511；2.山東科技大學(xué)資源學(xué)院，山東 泰安 271019）

煤炭開采深度與強(qiáng)度不斷增大，地質(zhì)條件與賦存條件也隨之復(fù)雜[1-2]。為保證工作面正常安全生產(chǎn)接續(xù)，往往需要留設(shè)各種類型的煤柱[3-4]。受工作面開采影響，尤其是工作面采掘后形成類孤島煤柱時(shí)，煤柱或孤島煤柱上易受到采動(dòng)影響范圍內(nèi)超前應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力等影響而形成應(yīng)力高度集中，顯著增強(qiáng)了礦震、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的誘發(fā)[4-5]。

3303 工作面開采末期縮面形成“刀把”工作面，“刀把”處與3302 設(shè)計(jì)工作面采空區(qū)間將形成類孤島煤柱。受兩工作面采動(dòng)與采空區(qū)影響，易在孤島煤柱上形成高度集中應(yīng)力，使煤體內(nèi)聚積大量的彈性能，煤柱易失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。因此，需對(duì)“刀把”工作面附近類孤島煤柱體應(yīng)力演化與塑性區(qū)分布開展研究，進(jìn)而分析其穩(wěn)定性。研究結(jié)果可作為判斷孤島煤柱是否具有沖擊危險(xiǎn)性的重要依據(jù)。

1 工程背景

義橋煤礦3302 綜放工作面位于三采區(qū)西部，西鄰3301、3301（北）工作面采空區(qū)，工作面區(qū)段煤柱約為4.5 m，東為3303 工作面采空區(qū)和實(shí)體煤，3302 工作面與3303 工作面煤柱間距為4.5 m 和58.3 m（北部刀把段）。受F356斷層影響，該工作面掘進(jìn)前期需要擴(kuò)面，面長(zhǎng)145.8～175.9 m，推 進(jìn) 長(zhǎng) 度1055～1080 m。3302 工作面煤層底板標(biāo)高-598.7～-694.5 m，平均-647.45 m；地面標(biāo)高+33.54～+34.66 m，平均34.15 m，煤層平均埋深681.6 m。工作面開采范圍及巷道布置如圖1。

圖1 工作面開采范圍及巷道布置

3302 工作面為煤3，平均厚度3.67 m，煤層傾角平均為6°，以亮煤為主，局部有分層現(xiàn)象，層間夾矸為粉砂巖，煤層普氏系數(shù)約1.91，為軟～中等硬度煤層。頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

2 “刀把”工作面附近孤島煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)上述研究目標(biāo)與工作面開采順序，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立600 m（長(zhǎng)）×480 m（寬）×136 m（高）的三維數(shù)值模型，模型網(wǎng)格如圖2，未模擬地層厚度施加15.8 MPa 的均布載荷進(jìn)行補(bǔ)償。模擬研究3302 工作面開采過程中“刀把”工作面（3303 工作面）附近孤島煤柱的應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，進(jìn)而為該煤柱危險(xiǎn)性研判與煤柱寬度優(yōu)化問題提供科學(xué)依據(jù)。數(shù)值模型中，煤層及頂?shù)装搴穸群臀锢韰?shù)參考礦方提供地質(zhì)資料（柱狀圖、頂?shù)装鍘r性特征表），煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型

2.2 孤島煤柱應(yīng)力及塑性區(qū)分析

沿工作面傾向截取煤柱內(nèi)15 m、30 m、50 m等3 個(gè)典型位置，呈現(xiàn)工作面采動(dòng)對(duì)孤島煤柱的應(yīng)力影響與其塑性區(qū)發(fā)育情況。

如圖3（a）所示，隨著3302 工作面回采，3302 工作面和3303 工作面之間形成孤島煤柱（如圖1 所示），且孤島煤柱南端承受三側(cè)支承壓力相互疊加影響，應(yīng)力集中程度較高，應(yīng)力峰值大約位于煤柱內(nèi)部15 m 處，應(yīng)力峰值達(dá)到約57 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)3.4。煤體應(yīng)力集中系數(shù)較高，受壓發(fā)生全塑性破壞，如圖3（b）所示，此時(shí)孤島煤體易失穩(wěn)并誘發(fā)沖擊地壓。當(dāng)工作面推至此區(qū)域時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)與沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)，防止發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。

圖3 沿工作面傾向煤柱內(nèi)15 m

隨著3302 工作面繼續(xù)推進(jìn)，孤島煤柱在工作面后方受到兩側(cè)采空區(qū)應(yīng)力作用，由于煤柱寬度較大，兩側(cè)應(yīng)力疊加程度較小，形成馬鞍形的應(yīng)力曲線，如圖6 所示。可見，隨著工作面的回采，逐漸遠(yuǎn)離孤島煤柱南端，煤柱承受兩側(cè)采空應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，應(yīng)力集中程度降低，此時(shí)煤柱受力較小，并在煤體中間形成具備承載能力的彈性核，如圖4 所示，表現(xiàn)為煤柱彈性核區(qū)域不發(fā)生塑性破壞，煤柱具有了一定的穩(wěn)定性。隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力集中程度也逐漸降低，如圖5 所示，煤柱內(nèi)部彈性區(qū)也越來越大，塑性破壞區(qū)越來越小，煤柱也隨之更加穩(wěn)定。

圖4 沿工作面傾向煤柱內(nèi)30 m

圖5 沿工作面傾向煤柱內(nèi)50 m

圖6 “刀把”煤柱不同位置垂直應(yīng)力曲線圖

3 結(jié)論

隨著3302 工作面推進(jìn)并與孤島煤柱南端距離加大，工作面下端頭處應(yīng)力集中程度隨之減小，煤柱穩(wěn)定性也逐漸增大，沖擊危險(xiǎn)性相應(yīng)減小。但3302 工作面剛推至孤島煤柱時(shí)，在三側(cè)應(yīng)力相互疊加下，煤柱應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，煤柱完全發(fā)生塑性破壞，易造成煤柱失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓。因此，“刀把”工作面附近孤島煤柱受采動(dòng)影響時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)煤柱體內(nèi)應(yīng)力與沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)，防止煤柱失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓事故，尤其在工作面剛推至煤柱時(shí)，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。