孤岛工作面区段煤柱宽度分析及矿压特征分析

王世林

(山西兰花科技创业有限公司 伯方煤矿分公司， 山西 高平 048400)

山西兰花科创集团伯方煤矿3205综放工作面位于3#煤层二盘区，工作面南部为3203工作面采空区，北部为3207工作面采空区，东侧为二盘区大巷，西侧为三盘区实体煤。根据工作面的赋存特征可知，3205工作面属于孤岛工作面，主采3#煤层，煤层均厚为4.71 m，平均倾角为6°，煤层顶板为中粒砂岩和砂质泥岩，底板为砂质泥岩和泥岩，工作面采用综放采煤工艺，采高为2.6 m. 为保障孤岛综放工作面围岩的稳定，对孤岛综放工作面进行合理区段煤柱的分析，并对工作面回采期间矿压特征进行分析。

1 区段煤柱宽度分析

采用FLAC3D数值模拟软件对3205孤岛综放工作面区段煤柱的合理宽度进行模拟分析，根据3205工作面的赋存特征，建立模型长750 m×宽400 m×高180 m，固定模型侧边的水平位移，底板垂直位移。模拟方案设置4种不同的区段煤柱宽度[1-3]，分别为4 m、6 m、8 m、10 m，分析不同区段煤柱宽度下围岩的应力及位移情况。

在不同区段煤柱宽度下，模拟方案的顺序为：初始地应力平衡→工作面回采巷道的开挖平衡→3203工作面回采→3207工作面回采→不同区段煤柱下本工作面的回采作业，并在模型从采空区向工作面实体煤侧布置测线，测线的长度设置为100 m，模拟得出不同煤柱宽度下围岩垂直应力分布云图，见图1.

通过数值模拟结果及图1可知，随着煤柱宽度的增大，煤柱内垂直应力峰值也不断增大，在区段煤柱宽度为4 m时，煤柱内的峰值强度为6.7 MPa,垂直应力峰值出现在距离采空区1.6 m的位置；当煤柱宽度增大为6 m时，煤柱内的垂直应力峰值增大为10 MPa，峰值增幅明显，煤柱边缘出现一定范围的塑性区，但煤柱整体并未破坏，在煤柱内存在着弹性核区，此时煤柱内整体的应力水平较低；当煤柱从6 m增大为10 m时，煤柱内部的垂直应力峰值也逐渐增大，由10 MPa增大为15.3 MPa；在煤柱宽度为8 m和10 m时，煤柱内部同样存在着弹性核区，但煤柱内部的应力水平较高，使煤柱易产生变形破坏，不利于煤柱的维护。

为充分分析不同煤柱宽度下围岩的变形特征，在原设置煤柱宽度的基础上，增设煤柱宽度为3 m、12 m时的模拟。根据数值模拟结果得出在不同煤柱宽度下，孤岛综放工作面回采巷道煤柱内水平位移分布曲线及巷道表面位移，见图2.

图1 不同煤柱宽度下围岩垂直应力分布云图

图2 不同煤柱宽度下煤柱水平位移及巷道表面位移曲线图

由图2a)可知：1) 煤柱宽度的增大导致煤柱向沿空掘巷内的位移明显减小，但3 m煤柱时，可能已发生变形破坏，不能保持煤柱自身的稳定。2) 当煤柱宽度处于3～8 m时，煤柱向采空区侧的位移与煤柱宽度呈正比例递增关系；当煤柱宽度超过8 m后，煤柱向采空区侧的位移与煤柱宽度呈反比例关系，主要是由于煤柱太宽导致其位于侧向支撑压力峰值影响区域内。3) 煤柱宽度为 3 m 或 4 m 时，煤柱中部位移变化明显，且呈非稳定状态；当煤柱宽度为 6 m 时，其中部位移较小且基本保持稳定状态；当煤柱宽度超过6 m后，煤柱中部虽出现大部分稳定状态，但煤柱向巷道内的位移量却远大于 6 m 煤柱时的位移量。

通过分析图2b)巷道顶底板及两帮位移量及位移分布可知，随着煤柱宽度的变化，巷道围岩变形量呈现先减小，然后逐渐趋于相对稳定状态，在煤柱宽度达到6 m时，巷道围岩位移基本达到稳定，巷道表面位移随着煤柱宽度增大的影响逐渐减小。

基于上述分析，在保障3205孤岛综放工作面围岩稳定的基础上，为充分提高煤炭的采出率，根据不同煤柱宽度下围岩垂直应力及围岩位移量的变形曲线，确定3205孤岛工作面区段煤柱的宽度为6 m.

2 矿压特征分析

2.1 测站布置

为有效分析3205孤岛综放工作面回采期间，工作面的矿压特征，在3205工作面上部、中部和下部布置3个测区，其中上部测区为Ⅰ测区，监测3台液压支架的工作阻力，分别为14#、28#和42#液压支架；中部测区为Ⅱ测区，监测4台支架的工作阻力，分别为56#、70#、84#和98#；下部测区为Ⅲ测区，监测3台支架的工作阻力，分别为112#、126#和140#，矿压监测站布置方式见图3.

图3 3205工作面矿压监测站布置方式示意图

2.2 矿压规律分析

在进行工作面回采期间顶板来压判据的分析时，其主要参数为基本顶的初次来压L0和基本顶的周期来压LE. 当采用液压支架的工作阻力判定基本顶的来压情况时，可通过绘制并观测工作面回采期间液压支架的工作阻力曲线，以支架的时间加权阻力pt加上均方差δp作为判断工作面基本顶的来压步距[4]：

p′t=pt+δp

(1)

基于上述分析，结合工作面采用的ZF-4400/17/28型液压支架的各项参数，确定工作面基本顶的来压判据为30 MPa.

分析工作面回采期间矿压监测结果，得出不同测区支架的工作阻力曲线基本相同，现分别从每个测区中取一架支架进行具体分析，分别取28#、84#和126#支架，分别代表工作面上部、中部和下部区域的矿压特征，各支架的工作阻力曲线分别见图4.

分析图4可知，在矿压监测的30 d的范围内，工作面上部区域出现了4次来压现象，分别为1次初次来压和3次周期来压，初次来压的步距为20.2 m，周期来压的步距为8.8～11.2 m，支架在非来压期间和来压期间的平均支护阻力分别为14.3 MPa和28.9 MPa，支架的时间加权阻力动载系数的平均值为1.73；工作面中部84#支架，在监测期间同样出现了3次周期来压和1次初次来压现象，初次来压为24.2 m，周期来压步距为9.6～11.2 m，支架在非来压期间和来压期间的平均支护阻力分别为16.35 MPa和26.09 MPa，平均动载系数为1.64；工作面下部126#支架初次来压步距为20.8 m，周期来压步距为8.8～10.4 m，同样出现了3次周期来压现象，支架在非来压期间和来压期间的平均支护阻力分别为14.05 MPa和24.63 MPa，支架的平均动载系数为1.75.

图4 工作面不同区域液压支架的工作阻力曲线图

基于上述分析可知，在3205孤岛综放工作面回采期间，工作面两端头的初次来压步距约为20.5 m，工作面中部区域的来压步距约为23.8 m，工作面上部和下部区域在来压期间支架的最大工作阻力为36.8 MPa，工作面中部区域在来压期间最大的工作阻力为30.3 MPa. 可见，工作面上部和下部在顶板出现来压现象时，其来压强度比中部区域的来压强度较大，故在工作面回采过程中，应加强工作面两端头的顶板管理。

3 结 论

根据3205孤岛综放工作面的具体特征，通过数值模拟的方式分析了3205区段煤柱在不同宽度时，围岩垂直应力和围岩位移量的变化规律，确定了区段煤柱宽度为6 m，并在工作面回采期间进行矿压监测分析，得出工作面两端头的初次来压步距平均为20.5 m，中部初次来压步距约为23.8 m，工作面基本顶的周期来压步距在8.8～11.2 m，工作面回采时，应加强两端头顶板的支护和管理作业。