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王庄煤矿孤岛工作面区段煤柱合理宽度研究

2024-08-10 74 上传者：管理员

摘要：针对孤岛工作面围岩高应力对煤柱稳定性的影响问题，以王庄煤矿15122孤岛工作面巷道煤柱留设为背景，通过采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法，分析了煤柱内应力场的分布特征，并通过计算得到了合理的煤柱留设宽度为19.36 m.运用数值模拟研究发现当煤柱宽度增加到20 m后，继续增加煤柱宽度对于降低煤柱塑性破坏、减小煤柱承压及降低围岩变形量的影响较小。通过现场实测留设20 m巷道煤柱，围岩变形量最大约为500 mm,能够保证工作面安全回采。

关键词：
围岩变形
围岩控制
孤岛工作面
煤柱宽度
矿井实际开采
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矿井实际开采过程中，为了缓解相邻工作面在回采过程中应力扰动或者由于特殊原因相邻工作面不能及时开采时，会选择跳采的策略，以保证矿井的正常生产。但是这样会导致孤岛工作面的产生。孤岛工作面周围存在多个采空区，开采过程中会形成应力集中，工作面及回采巷道矿压显现剧烈，此时区段煤柱留设不合理将直接导致巷道围岩变形严重，甚至将对工作面安全回采造成一定的影响。因此本文通过对王庄煤矿15124孤岛工作面回采巷道合理煤柱宽度进行研究，选择合理的煤柱宽度，为矿井孤岛工作面安全回采提供科学依据。

1、工程概况

王庄煤矿目前主采煤层为15号，煤层平均厚度为3.8 m,倾角3°,属于近水平煤层。15122工作面设计采高为3.8 m,其相邻的15120工作面正在回采，由于其对应地表有构筑物未拆迁暂时不能开采，15120工作面开采完毕后，对15124工作面进行开采，因此15122工作面属于典型的孤岛工作面，工作面布置如图1所示。15122工作面回采巷道采用“一进一回”的布置方式且还未开掘，因此为了保证巷道掘进及回采期间围岩稳定性，需要对区段合理宽度进行研究。

2、煤柱宽度留设理论分析

煤柱宽度的留设对于保持巷道围岩稳定性非常重要，一旦煤柱留设不合理，实际生产过程受到采动影响而失去承载能力，将导致巷道围岩严重变形。对于巷道保护煤柱而言，一侧为采空区，一侧则为待采区，两侧均会形成不同范围的塑性区，如图2所示。要保持巷道区段煤柱的围岩稳定性，就要在煤柱中心留存具有一定宽度、能够承载的弹性区，一般规定该弹性区宽度不小于煤柱高度的2倍。因此，保持煤柱宽度的最小宽度B应为：

B=X0+2M+X1(1)

式中：M为煤层采高，m.

图1 15122工作面布置示意

图2煤柱的弹塑性变形区及应力分布

根据现场实测结果，巷道煤柱回采侧的塑性区宽度为6 m,待采侧的塑性区宽度为4 m,因此工作面巷道煤柱留设宽度应为：

B=X0+2M+X1=6+2×3.8+4=17.6 m

考虑到15112工作面属于孤岛工作面，矿压较正常开采要强烈，因此需要考虑一定的动载系数，因此最终确定的巷道煤柱宽度为：

B'=1.1B=1.1×17.6=19.36 m

3、数值模拟研究

3.1模拟方案

为了掌握15120工作面开采完后的侧向支承压力分布规律，为煤柱选择合理的应力区间，初步确定煤柱宽度留设方案。之后为进一步确定留设煤柱的合理宽度，根据理论计算结果，分别建立10 m、15 m、20 m、25 m、30 m共5个模拟方案，分析不同宽度条件下煤柱塑性区分布、应力分布及巷道围岩变形规律。具体为15124工作面回采工作完成后，留不同宽度煤柱沿其右边界掘进15122回采巷道。

3.2数值模拟结果分析

3.2.1煤柱宽度留设方案的确定

15120工作面回采后的侧向支承压力分布云图和曲线如图3和图4所示。可以看出：随着与采空区距离的增加，侧向支承压力先增大后减小再趋于稳定，按照应力大小可以分为3个区：极限平衡区，也是破坏区与塑性区(0～4.53 m)、弹性区应力增高部分(4.53～20 m)和原岩应力区(20 m以外)。侧向支承压力峰值距采空区4.53 m,为19.53 MPa,是原岩应力(10.5 MPa)的1.86倍。

图3 15124工作面回采后垂直应力分布云图

图4 15122工作面采空区侧向支承压力分布曲线

结合采空侧煤岩体支承压力分布规律，15122工作面回采巷道有3种布置方式，分别是：位置1为在极限平衡区Ⅰ中留煤柱的掘巷方式即留设小煤柱，也就是在破坏区或塑性区布置巷道；位置2为在弹性区的应力增高部分Ⅱ中留煤柱的掘巷方式即留设中等宽度的煤柱；位置3为避开采空区侧向支承压力的影响，在原岩应力区Ⅲ中留宽煤柱。从理论和实践上来说，位置1位于应力降低区，资源回收率高，但回采期间的围岩变形相对较大，且因煤柱破坏较严重，不利于防水、防瓦斯、防煤炭自燃；位置2位于应力增高区，巷道处于高应力区，围岩压力大，巷道的变形量很大，难于维护，一般巷道布置都尽可能避开应力增高区；位置3处于弹性区中的原岩应力区，无论是掘巷时，还是本工作面回采时，巷道的变形量都要小一些。虽然煤柱过大造成一定的资源浪费，但是巷道的维护环境相对较好，易于控制。考虑到15122工作面为孤岛工作面，回采过程中矿压显现要强于普通开采的工作面，因此显然15122工作面回采巷道留宽煤柱更合适。

3.2.2煤柱宽度的确定

1)不同宽度煤柱塑性区分析。

当煤柱宽度为10 m、15 m、20 m、25 m、30 m时，煤柱塑性区的面积为21 m2,占煤柱宽度的29.2%～49.8%,而中间弹性核区的面积为21～51 m2,占煤柱总面积的50.2%～70.8%,此时煤柱稳定性较好，支撑能力强。说明当煤柱宽度大于20 m后，煤柱塑性区的范围基本没有变化，已具有良好的稳定性及支撑能力，同时还能有效隔离采空区。

2)不同宽度煤柱应力分布情况。

图5所示的15122工作面回采过程中，10～30 m不同宽度煤柱的围岩应力分布曲线。可以看出，10～30 m宽的煤柱上均有两个应力峰值，第一个应力峰均位于距采空区约8 m,峰值为23.8 MPa;第二个应力峰随着煤柱宽度的增大逐渐远离采空区，峰值逐渐减小，由煤柱15 m时的26.8 MPa降至35 m时的21.8 MPa;并且当煤柱为20 m时，高应力区面积与煤柱为30 m条件下面积大体一致。

图5不同宽度煤柱的围岩垂直应力分布曲线

3)巷道围岩变形规律。

表1为15122工作面回采过程中，10～30 m不同宽度煤柱的围岩变形量统计表。由表1可以看出，随着煤柱宽度的增加，顶板下沉量和底鼓量逐渐减小，巷道围岩变形均呈现非对称性，巷道顶板及煤柱帮变形相对较大，底板及实体煤帮变形相对较小，煤柱帮位移量随着煤柱宽度的增加逐渐减小。

表1 15122回采巷道围岩变形统计

综上，根据煤柱巷道围岩的塑性区分布、应力分布、围岩变形随煤柱宽度变化规律，结合理论计算与数值模拟结果，考虑到15122回采巷道掘进时邻近的15120工作面采空区顶板相对较稳定，将15122回风巷道一侧的煤柱宽度留设为20 m;考虑到15122回采巷道掘进时邻近的15124工作面尚未回采，并且会受到15124工作面将来回采时侧向顶板的破断、回转等引起的采动影响，将15124回采巷道一侧的煤柱宽度留设为25 m.

4、工程实践

4.1围岩控制方案

4.1.1顶板支护参数

顶板锚杆采用杆体为Ф22 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服长度2 400 mm;顶部每排布置7根，间排距为850 mm×800 mm,靠近帮的距帮200 mm.顶锚索采用Ф21.6 mm的1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为7 300 mm,每排3根，间距1 300 mm,距帮1450 mm,排距1 600 mm,锚索均垂直巷道顶板。

4.1.2两帮支护参数

两帮支护采用：锚杆+金属网+钢筋梯子梁联合支护。帮锚杆采用杆体为Ф22 mm等强全螺纹钢锚杆，长度2 400 mm.每排5根锚杆，间排距为800 mm×800 mm.起锚高度150 mm,靠近顶板的1根帮锚杆距顶板150 mm.帮上部角锚杆与水平线呈15°(仰角),帮下部角锚杆与水平线呈15°(俯角),中间的3根锚杆与巷帮垂直布置。

具体支护方案如图6所示。

4.2巷道围岩变形实测

为了验证15122孤岛工作面回采巷道围岩稳定性，在工作面回采期间，对运输巷道进行围岩移近量观测，观测结果如图7所示。可以看出，巷道两帮围岩变形比顶底板严重，巷道围岩在掘进0～20 d期间变形剧烈，20 d后逐渐趋于稳定，最终巷道顶底板移近量稳定在400 mm左右，两帮移近量稳定在500 mm左右，能够保证15122孤岛工作面的安全回采。

图6巷道支护方案(单位：mm)

图7巷道围岩变形规律

5、结语

1)根据煤柱应力分布特征，成功运用相关理论计算出了15122孤岛工作面巷道煤柱宽度合理的留设宽度为19.36 m.

2)运用FLAC数值模拟，分析了10 m、15 m、20 m、25 m、30 m煤柱宽度下，巷道围岩屈服破坏和应力分布等特征，进一步证明了巷道煤柱留设20 m的合理性。

3)根据现场情况，制定了巷道支护方案，现场实测结果表明，15122孤岛工作面运输巷道顶底板移近量稳定在400 mm左右，两帮移近量稳定在500 mm左右，能够保证15122孤岛工作面的安全回采。

参考文献:

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文章来源:莫凡,陈波.王庄煤矿孤岛工作面区段煤柱合理宽度研究[J].煤,2024,33(08):70-72+85.