不规则孤岛工作面开采可行性研究

徐诚军，熊辉荣，杨建平

（1.安源煤业集团股份有限公司，江西 南昌330002；2.江西煤业集团有限责任公司尚庄煤矿，江西 丰城 331100）

在采区内形成至少一个沿工作面走向方向两侧均为采空区的工作面，或工作面三边、四周均为采空区的工作面，这样的工作面称为孤岛工作面。受断层、开采遗留问题、煤层走向方位调整等因素制约，会造成工作面沿走向形状不规则。常见不规则工作面（也称工作面面长不等长工作面）有楔形、梯形、三角形、扇形、刀把等形状［1］。对于孤岛工作面来说，工作面煤体内的应力叠加、峰值变大、应力增高区扩展，造成工作面矿压显现强烈、顶板来压强度大。随着开采推进，工作面前方的煤柱尺寸逐步减小（或加长），煤柱应力增大。尚庄煤矿706煤柱工作面属于三角形孤岛工作面，合理判定尚庄煤矿706煤柱工作面的安全开采可行性，制定合理的安全技术措施，对于确保矿井安全生产具有重要意义。

1 工作面概况

尚庄煤矿706煤柱工作面位于尚庄井田东翼，为矿井接续工作面，煤层底板标高-440～-470 m，工作面平均埋深约490 m，走向长度175 m，倾向长度63～178 m，平均120 m，煤层厚度1.2～3.1 m，平均2.2 m，煤层倾角10°～13°，可采储量约0.065 Mt。706煤柱工作面北部为702工作面；南部为706工作面；西部为风井保护煤柱，东部为东III采区上山保护煤柱。706煤柱工作面处于702工作面和706工作面采空区之间，且工作面为三角形，面长沿走向为非规则形状，工作面前方的煤柱尺寸不断减小，706煤柱工作面所处的应力环境越来越复杂。706煤柱工作面采掘工程平面见图1。

图1 706煤柱工作面采掘工程平面

2 工作面开采应力计算

2.1 706煤柱工作面开采过程数值模拟

本次数值模拟采用Rhino建模、分组、划分网格，然后利用Rhino 与FLAC3D接口插件Griddle 导入FLAC3D进行赋值，运算。

考虑到三角煤柱建模的复杂性及模型运行速度，本次将三角煤柱简化为长方体煤柱，数值模型参照尚庄煤矿采掘工程平面图及井下现状而建，上覆岩层及其岩性根据尚庄煤矿综合水文地质柱状图进行选择。数值模型大小为690 m×950 m×267.8 m，模型顶部剩余249 m岩层通过施加垂直应力代替，施加垂直应力大小为6.23 MPa，上覆岩层及其岩性参数见表1。按最大采高2.8 m模拟煤柱稳定性。

表1 岩层参数取值

2.2 数值模拟结果

（1）工作面推进过程中煤柱塑性区分布

随着工作面推进，煤柱塑性区逐渐增大，当工作面推进210 m，距停采线10 m时，煤柱内部仅剩10 m左右的弹性核区，当工作面推进220 m，到达原设计停采线时，煤柱完全破坏，失去承载能力；由于702、706工作面已全部采完，工作面与老采空区之间留设煤柱两侧处于临空状态，随着工作面推进，塑性区发育，亦逐渐失去承载能力，在工作面推进过程中需加强对工作面顺槽护巷煤柱的支护。

（2）工作面推进过程中煤柱垂直应力云图

由图2可知，随着工作面推进，工作面前方煤柱内最大垂直应力经历了先增大后减小的过程。在工作面推进后期，垂直应力逐渐减小，这是因为随着工作面推进，煤柱尺寸减小，应力集中增大，煤柱塑性区发育，支撑能力逐渐减小。特别是当工作面推进距离达到190 m时，煤柱内垂直应力达到最大极限，随后煤柱发生整体破坏，逐步失去承载能力。

图2 工作面推进过程中煤柱最大垂直应力变化规律

3 巷道布置

从开采实践看，将回采巷道布置在塑性区，并使护巷煤柱宽度与巷道宽度之和小于极限平衡区宽度，使巷道围岩处于卸压区内，能保证巷道的稳定和安全。根据极限平衡区宽度的理论计算公式为［2］：

式中：M为工作面采高，m；A为侧压系数，A=μ/（1-μ），μ为泊松比；φ为煤的内摩擦角°；C为煤体黏聚力，MPa；K为应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；H为巷道埋深，m；PA为回采巷道的支护阻力，MPa。

对于706 煤柱工作面，采高按最大采高M=2.8 m计算（采高降低时影响范围减小），μ=0.35，A=0.54，φ=18°，C=0.7 MPa，H=490 m，γ=25 kN/m3，PA=0。应力集中系数在开切眼位置K=2.64，在停采线位置为5.26，均取为平均应力系数的1.5倍。

则在开切眼位置，x0=6.54 m；在停采线位置，x0=8.10 m。

根据706煤柱工作面设计，护巷煤柱宽5.5～7.0 m，巷道宽4.2 m，护巷煤柱基本处于极限平衡区之卸压区内，巷道可能处于极限平衡区应力峰值边缘，需要对巷道加强维护，采取加强支护、临时支护、预留卸压空间等技术措施。

4 支架工作阻力校核

支架的工作阻力与支护强度和支护面积有关。支护强度的大小取决于工作面采场矿压的大小，但由于目前对采场矿压的大小还不能进行准确的定量计算，目前主要以经验法或实测数据，来确定支护强度。

根据706煤柱工作面煤柱稳定性分析，只要保持工作面前方煤体的稳定，上覆岩层的载荷仍然主要由前方煤柱支承，工作面支护强度仍能根据矿山压力理论进行计算，只是需要在计算时选用较大的富裕系数。

4.1 支护强度计算

（1）采用经验公式计算合理的支护强度

式中：q1为工作面合理的支护强度，kPa；M为平均采高，m；γ为顶板岩石平均容重，取25 kN/m3；K为工作面支架支护的上覆岩层厚度与采高之比，一般为4～8。

由式（2），计算的706煤柱工作面所需的支护强度：采高按平均采高2.2 m计算，q1=8×2.2×25=440 kPa。

（2）按现行较通用的岩石容重法公式计算支架的动载支护强度

式中：q2为支架的动载支护强度，kPa；kd为动载系数，一般取1.2～2.0(根据矿压观测情况取值)；M为采厚，m；kP为上覆冒落带岩石碎胀系数，取1.25；γ为顶板岩石平均容重，25 kN/m3。

由式（3），可得根据岩石容重法计算的706煤柱工作面所需的支护强度。

4.2 支架工作阻力校核

工作阻力=支护强度×支架的支护面积。可用下式计算：

式中：P为支架工作阻力，kN；qmax为支架的支护强度（取q1、q2最大值），kN/m2；Lk为梁端距，m；Ld为顶梁长度，m；B为支架中心距，m。

根据设计，706煤柱工作面拟选用支架的型号为ZY3200-17/36支撑掩护式液压支架。支架顶梁长度3.6 m，端面距0.3 m，支架中心距1.5 m。按平均采高2.2 m计算、支护强度为0.44 MPa时，支架应提供的工作阻力为P=0.44×5.85=2574 kN，考虑1.2倍的富裕系数，支架的工作阻力最小应为3089 kN。ZY3200-17/36型两柱掩护式液压支架的工作阻力为3200 kN，按平均采高2.2 m计算，能满足工作面支护强度0.44 MPa的要求。

需要注意的是，由于706煤柱工作面为非规则工作面，工作面开采宽度逐步由170 m减小为63 m，根据理论计算和数值模拟结果，工作面前方煤体内的应力集中系数和最大垂直应力在不断增大。因此在开采过程中要密切注意支架阻力的变化，出现支护异常时及时终止开采，保证生产安全。

5 结语

根据706煤柱工作面的地质采矿条件，利用理论分析和数值模拟技术，对706煤柱工作面开采的可行性进行了深入研究，得出主要结论如下：

1）理论分析和数值模拟结果均表明，706煤柱工作面推进长度不应超过190 m，支架支护强度应不低于0.44 MPa。

2）随着工作面开采宽度的减小，应力集中越来越大，要严格按计算采高开采，选用工作阻力较大的支架，加强支架阻力变化的监测，如有异常，应及时采取停采等技术措施。

3）护巷煤柱基本处于极限平衡区卸压区内，需加强工作面顺槽和回风巷的支护，采取锚网梁加锚索、超前加强支护等综合措施，防止应力集中对回采巷道稳定性的影响。