孤岛工作面煤柱合理尺寸研究与应用

彭志刚

(西山煤电集团公司 西曲矿，山西 古交 030200)

·试验研究·

孤岛工作面煤柱合理尺寸研究与应用

彭志刚

(西山煤电集团公司 西曲矿，山西 古交 030200)

孤岛工作面巷道围岩应力集中程度较高，回采巷道支护困难。以某矿30222孤岛工作面回采巷道为背景，结合理论和UDEC数值模拟，分析了该孤岛工作面巷道围岩应力分布特征。研究表明：由于孤岛工作面围岩应力相对常规工作面增大，通过力学模型计算并结合数值模拟分析，留设6 m窄煤柱能够使围岩处于较稳定的状态；工程实践表明，采用锚网索加注浆加固能够较好的控制巷道围岩变形。

孤岛工作面；煤柱宽度；UDEC数值模拟；矿压观测

孤岛工作面通常面临围岩应力集中程度高、煤体破碎、矿压显现强烈等问题[1-3]. 高应力状态下巷道支护是孤岛工作面面临的主要问题。

本文以某煤矿3#煤二采区孤岛工作面回风巷道为工程背景，通过分析孤岛工作面围岩应力特征，研究了巷道顶板结构及煤柱的受载，推导孤岛工作面高应力条件下煤体塑性区计算方法，并结合UDEC数值模拟结果，确定合理的窄煤柱宽度。提出孤岛工作面回采巷道的支护方案并进行工程验证。研究结果为孤岛工作面回采巷道煤柱留设提供参考。

1 孤岛工作面概况

某煤矿3#煤平均埋深413 m，煤层厚度平均6.82 m，采用综放工艺进行回采，采高3.0 m. 30222工作面位置示意图见图1，北邻30223采空区，南邻30221采空区，西为实体煤，东接302采区皮带下山。

图1 30222工作面位置示意图

在回风大巷采用应力解除法进行了原岩应力测试，测试地点附近无地质构造。测试结果表明：在无地质构造和采动影响区域，垂直应力均值为12.03 MPa，与按自重计算的垂直应力11.15 MPa基本相当。而对于孤岛工作面回采巷道，由于其两侧均已采空，工作面需分担两侧采空区部分覆岩重量，造成孤岛工作面应力集中程度升高，导致巷道顶板和两帮变形较大。

为了弄清孤岛工作面围岩应力集中程度，采用ANZI型地应力传感器对孤岛工作面巷道围岩进行了次生应力实测,其测点布置和测定结果见图2，表1.

图2 测点布置示意图

测点水平距离/m垂直距离/m水平应力/MPa垂直应力/MPa110.39.719.5525.3624.23.88.5610.7833.64.15.578.2145.49.36.3210.62

分析表1可知，孤岛工作面回采巷道围岩应力集中程度较高。图2中1号测点位于侧向支承压力峰值附近，其垂直应力可达25.36 MPa，为原岩应力的两倍以上。2号、3号测点位于巷道表面附近，由于巷道表面发生塑性破坏，围岩中垂直应力接近原岩应力。而4号测点由于侧向关键块回转挤压，也进入塑性区，应力降低。

孤岛工作面悬臂梁结构示意图见图3. 由图3分析可知，工作面两侧煤体被采空后，采空区顶板垮落、下沉。除了碎胀矸石会对覆岩起到一定的支撑作用外，采空区两侧实体煤会分担采空区覆岩荷载。

图3 孤岛工作面悬臂梁结构示意图

因此，相比普通回采巷道，孤岛工作面巷道围岩应力集中程度高，需考虑围岩中应力增加的情况。

2 孤岛工作面结构分析

研究表明[4，5]，长壁工作面顶板破断呈“O-X”破断，工作面侧向顶板断裂位置见图3，基本顶侧向存在3种破断位置，即破断线在煤壁内(Ⅰ)、破断线在煤壁上方(Ⅱ)、破断线在煤壁外(Ⅲ)。其相应的铰接点位置如图3所示。通常基本顶侧向破断会在煤壁内2～3 m，本次取破断线位于煤壁内3 m进行分析，即图3中Ⅰ所示位置。

孤岛工作面回采巷道掘进时，相邻工作面已回采结束，其顶板已垮落稳定。由于孤岛面应力集中程度较高，煤柱宽度通常大于5 m(小于5 m认为是无煤柱护巷)，因此巷道通常位于基本顶悬臂梁下方，而护巷煤柱除了受孤岛面高应力的影响，还会承担一部分弧形三角板的载荷，应当综合考虑这两方面因素合理设计煤柱留设方式。

3 煤柱宽度确定

煤体的弹塑性变形的应力分布见图4. 如图4所示，将巷道布置在塑性区，能够实现煤层中铅垂应力较小且煤柱宽度较小[6，7].

1—弹性应力分布 2—弹塑形应力分布Ⅰ—破裂区 Ⅱ—塑性区 Ⅲ—弹性区应力升高部分 Ⅳ—原始应力区图4 煤体的弹塑性变形的应力分布图

塑性区的宽度X0(m)为：

(1)

式中：

M—采高，m，割煤高度取3.0，放煤高度取3.82，按顶煤回收率70%计算可得等效采高取5.67；

A—侧压系数，A=u/(1-u)，其中u为泊松比，取0.28；

φ0—煤体的内摩擦角，(°)，取20.3；

C0—煤体内聚力，MPa，取1.2；

K—应力集中系数，取4；

γ—覆岩容重，MN/m3，取0.027；

H*—等效埋深，m，取761；

PZ—支护阻力，MPa，取0.

代入式(1)可得，X0=9.8 m，即支承压力峰值位于煤壁内9.8 m处，为将煤柱留设在应力降低区内，设计煤柱宽度小于X0的2/3，故煤柱宽度需小于6.5m，现场采用6m窄煤柱进行支护。

采用UDEC软件建立孤岛工作面覆岩运动模型，模型走向长度为200m，垂直高度为60m，巷道尺寸为宽4.7m×高3.0m，主要研究孤岛工作面不同煤柱宽度条件下巷道围岩破坏场位演化特征，见图5.

图5 不同宽度煤柱围岩破坏场分布规律图

从图5可以看出，孤岛工作面巷道在留设6m小煤柱的情况下，巷道围岩完整性好，煤巷处于较稳定的状态；当煤柱宽度增加到10m、15m时，围岩稳定性较差，煤柱处于高应力条件下易变形失稳；当煤柱宽度继续增加，达到20m时，煤柱支撑能力增加，煤柱稳定性逐步增强，但是较宽的煤柱尺寸容易造成煤炭资源的浪费，可见留设6m小煤柱最合理。

4 现场效果分析

回风平巷沿煤层底板掘进，断面为矩形，巷道净断面尺寸为宽4.7m×高3.0m. 现场支护方案为：锚网支护+锚索补强+喷浆+注浆联合支护。

孤岛工作面煤柱宽度已确定现场选择支护方式时参照相邻工作面的支护加大支护密度，在采空侧布置锚索，对巷道围岩进行注浆加固，巷道支护及加固方案如下：

顶锚杆采用杆体为d20mm高强左旋螺纹钢，长度为2 400mm，锚杆间排距800mm；顶锚索长9.3m，采用d17.8mm的钢绞线，小三花布置，排距800mm；帮锚杆每排4根，间排距800mm；帮锚索布置在采空区一侧巷帮，每排两根，间距1 300mm，排距1 600mm，长5.0m锚索；钢筋托梁用d14mm的钢筋焊接而成，宽度90mm. 注浆深度3.5m，注浆压力1.0～1.5MPa，浆液扩散半径1.0～1.5m，采取间隔交替注浆方式，注浆孔排距0.8m，孔深2.5m，见图6.

图6 回采巷道支护布置图

图7对比分析了孤岛工作面与相邻巷道支护效果，可以看出，现场采用6m窄煤柱并进行合理支护能够对巷道变形进行较好的控制且巷道变形量与相邻工作面相近。

图7 表面位移观测结果图

5 结 论

孤岛工作面煤体需分担两侧采空区覆岩荷载，导致孤岛面煤体中应力升高，回采巷道采用常规支护巷道变形、破坏严重。孤岛面回采巷道煤柱留设时，考虑煤体中应力升高和弧形三角板结构的共同作用，设计煤柱宽度6m. 现场实践表明，采用6m窄煤柱及锚网索加注浆加固，巷道变形得到了较好控制。

[1] 秦忠诚，王同旭.深井孤岛综放工作面跨采软岩巷道合理支护技术[J].煤炭科学技术，2003，31(5)：7-10.

[2] 华心祝，刘 淑，刘增辉，等．孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用[J]．岩石力学与工程学报，2011，30(8)：1646-1651.

[3] 窦林名，何 烨，张卫东.孤岛工作面冲击矿压危险及其控制[J].岩石力学与工程学报，2003，22(11)：1866-1869.

[4] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003：243-244.

[5] 柏建彪，张金亮，王龙芳.孤岛综放面巷道支护机制和技术研究[J].矿山压力与顶板管理，2002(4)：5-7.

[6] 张科学，郝云新，张军亮，等．孤岛工作面回采巷道围岩稳定性机理及控制技术[J]．煤矿安全，2010，41(11)：61-64.

[7] 周 舟.厚煤层孤岛工作面小煤柱回采巷道围岩控制技术研究[D]．太原：太原理工大学，2011．

Research and Application of Rational Size of Coal Pillar in Isolated Island Caving Workface

PENG Zhigang

The surrounding rock stress concentration of island roadway is very high, so the support for mining gateway is more difficult. The stress distribution characteristics of roadway surrounding rock in this isolated island workface are analyzed with the theory and UDEC numerical simulation in the background of No.30222 mining workface in a coalmine. The results show that the surrounding rock stress of the isolated island workface is larger than that of the conventional workface, and by the calculation of the mechanical model combined with the numerical simulation analysis, leaving the 6 m narrow coal pillar can make the surrounding rock stable. The reinforcement of grouting with net method can well control the deformation of roadway surrounding rock.

Isolated island caving workface; Coal pillar width; UDEC numerical simulation; Mine pressure observation

2016-08-22

彭志刚(1982—)，男，山西广灵人，2013年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事煤矿综采安全技术管理工作

(E-mail)545606153@qq.com

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1672-0652(2016)10-0004-04