孤岛工作面回采合理煤柱宽度研究

臧敦龙，董士莹，齐明友，薛 岩，吴夫星，刘云峰

(山东能源集团新矿集团 协庄煤矿，山东 泰安 271200)

当待开采工作面周围均为采空区时，煤柱内应力集中程度大，在上覆岩层自重作用下可能处于塑性破坏状态，极易造成矿山灾害事故，此类工作面也称为孤岛工作面。孤岛工作面回采时，巷道围岩变形大，侧向应力明显，给支护带来极大困难，合理的煤柱宽度可以保证煤柱承载能力，有利于工作面安全生产，因此对孤岛工作面回采合理煤柱宽度的研究是十分必要的[1-2]。

为解决孤岛工作面应力分布复杂、围岩支护困难等问题，国内外学者进行了大量研究，且取得了较为丰富的成果。武宗刚[3]采用理论分析和数值模拟相结合的方法，以河南赵固煤矿某盘区孤岛工作面为背景，计算了煤柱屈服宽度，通过FLAC3D分析了该工作面应力分布特征；赵宁[4]以煤矿实际工程条件建立了UDEC数值模型，分析了孤岛工作面回采巷道沿空掘巷围岩应力分布和移近量特征，结合理论计算确定了沿空留巷护巷煤柱合理留设宽度，并与实际监测数据进行了对比；周贤等[5]以下沟煤矿运输巷为背景，通过围岩分析、现场钻孔窥视监测等方法确定了影响运输巷围岩变形严重的主要因素，提出了“锚网索+钢带+金属网+注浆”联合支护技术，并通过FLAC3D软件模拟证明其可行性；郭靖等[6]基于晋能塔山矿8310厚层坚硬顶板孤岛工作面地质条件，采用理论研究、建模分析和工程实地测试结合的方法探究孤岛工作面矿压显现机理，分析卸压孔相关技术参数对巷道塑性区的影响。

孤岛工作面回采时，巷道应力叠加影响下分布特征更为复杂，巷道片帮现象频发，有必要研究孤岛工作面合理煤柱宽度，保证工作面安全回采。针对此问题，本文以山东能源协庄煤矿401工作面为背景，通过FLAC3D研究了孤岛工作面回采后巷道围岩应力分布和塑性区特征，并给出了煤柱合理宽度，并在现场成功进行应用，为相似条件下煤柱宽度的选取提供了依据。

1 数值模型及方案

山东能源协庄煤矿401工作面周边为已回采的3411E工作面和3407工作面以及-550水平东翼回风巷，为典型的孤岛工作面。煤层埋深约553 m，开采范围内煤层结构简单，无断层等构造结构，工作面采高约4.6 m.基于室内试验标定各岩层物理力学参数，采用Mohr-Coulomb 本构模型，对四周边界约束水平位移，下部边界约束垂直位移，详细参数见表1.基于现场钻孔资料，采用FLAC3D模拟软件，考虑模型边界效应，建立尺寸为800 m×500 m×700 m的数值模型，见图1.

图1 数值模型及模拟方案

表1 各类岩层物理力学参数

数值模型计算时，首先开挖水平大巷，随后开挖3407工作面，采高5 m，工作面斜长100 m，走向长度470 m.然后开采3411工作面，采高5 m，工作面斜长100 m，走向长400 m.为研究孤岛工作面不同煤柱宽度下围岩应力分布特征，设置10 m、20 m、30 m、40 m的煤柱宽度方案进行模拟。

2 模拟结果分析

2.1 401工作面应力分布特征

为分析不同煤柱宽度下401工作面回采后围岩应力分布变化规律，以401工作面所在水平为切面，通过FLAC内置的FISH语言输出平面上应力数据，导入surfer进行后处理，绘制了不同工况下应力分布云图，如图2所示。为了更好的分析煤柱宽度对巷道应力分布的影响，以煤柱宽度为10 m的方案为基准，将所有方案中应力最大和最小值设置为相同值。

如图2(a)所示，当煤柱宽度为10 m时，高应力区分布范围最广，受应力叠加影响，相邻工作面间应力集中程度极高，同时对大巷两侧应力分布均有明显影响；当煤柱宽度为20 m时，3407和3411工作面外侧高应力区较10 m方案显著缩小，大巷两侧应力分布也相对减小，如图2(b)所示；当煤柱宽度为30 m时，工作面高应力区进一步缩小，孤岛工作面开挖导致的大巷两侧应力集中逐渐消失，如图2(c)所示；当煤柱宽度增加至40 m时，如图2(d)所示，相邻工作面间煤柱应力集中程度显著减小，高应力区范围达到最小值，大巷几乎不受孤岛工作面开采影响。

图2 煤柱应力分布规律

取不同煤柱宽度下，孤岛工作面与南侧3411工作面以及孤岛工作面与北侧3407工作面间煤柱水平应力最大值绘制曲线，如图3所示。

图3 工作面最大水平应力

由煤柱最大应力值变化规律可以看出，当煤柱宽度为10 m、20 m、30 m和40 m时，南侧煤柱最大水平应力分别为25.6 MPa、22.2 MPa、19.9 MPa和18.7 MPa，分别降低了13%、10.5%和6.2%；北侧煤柱最大水平应力分别为25.6 MPa、22.2 MPa、19.8 MPa和18.6 MPa，分别降低了13%、10.5%和6.2%.

由曲线变化趋势可以看出，随着煤柱宽度由10 m增加至40 m，最大水平应力值逐渐减低并趋于稳定，煤柱宽度为30 m和40 m时，最大水平应力值差别不大。考虑煤炭回采经济效益，可以认为30 m的煤柱宽度为合理留设宽度。

2.2 401工作面塑性区分布特征

为分析不同宽度下煤柱承载能力及破坏特征，绘制了各方案下工作面巷道围岩塑性区分布图，如图4所示。

图4 工作面塑性区分布规律

当煤柱宽度为10 m和20 m时，相邻工作面间煤柱全部出现塑性破坏，此时煤柱基本失去承载能力，极易发生矿山灾害。当煤柱宽度为30 m和40 m时，相邻工作面间煤柱两侧出现塑性破坏，而中心未出现塑性破坏，此时煤柱仍具有承载能力，能够满足工作面安全回采要求。综合分析以上因素，同时考虑煤炭采出率和经济效益，确定合理煤柱宽度为30 m，这样既能通过留设合理的煤柱宽度来防止冲击地压灾害的发生，又能充分回收煤炭资源。

3 工程应用

根据数值模拟结果并结合现场工程地质条件，设计401孤岛工作面煤柱宽度为30 m.工作面回采过程中对巷道变形量及煤柱垂直应力进行了现场监测，结果表明：工作面回采过程中，煤柱所受垂直应力最大值较符合数值模拟结果，巷道变形量基本满足要求，整个工作面回采过程中未出现巷道片帮严重和顶底板事故，保证了安全开采，取得了明显的经济效益。

4 结 语

针对孤岛工作面开采时巷道应力分布复杂等问题，基于山东能源协庄煤矿401工作面实际工程条件建立了数值模型，分析了不同煤柱宽度下围岩应力和塑性区分布特征，给出了合理煤柱宽度，主要结论如下：

1) 当煤柱宽度由10 m增加至40 m时，相邻工作面两侧高应力区范围以及对大巷应力分布的影响逐渐减小。其中，孤岛工作面两侧煤柱最大水平应力分别降低了13%、10.5%和6.2%.

2) 当煤柱宽度为10 m和20 m时，相邻工作面间煤柱全部出现塑性破坏，煤柱基本失去承载能力；当煤柱宽度为30 m和40 m时，相邻工作面间煤柱两侧出现塑性破坏，而中心未出现塑性破坏，煤柱仍具有承载能力，能够满足工作面安全回采要求。

3) 综合分析应力和塑性区分布特征，同时考虑煤炭采出率和经济效益，确定合理煤柱宽度为30 m；现场监测结果表明，工作面回采过程中未出现顶底板事故，实现了孤岛工作面的安全生产。