“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析

张经龙 李 瑶 戴洪泰

（1.汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272511；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271019）

煤炭开采深度与强度不断增大，地质条件与赋存条件也随之复杂[1-2]。为保证工作面正常安全生产接续，往往需要留设各种类型的煤柱[3-4]。受工作面开采影响，尤其是工作面采掘后形成类孤岛煤柱时，煤柱或孤岛煤柱上易受到采动影响范围内超前应力与侧向应力等影响而形成应力高度集中，显著增强了矿震、冲击地压等动力灾害的诱发[4-5]。

3303 工作面开采末期缩面形成“刀把”工作面，“刀把”处与3302 设计工作面采空区间将形成类孤岛煤柱。受两工作面采动与采空区影响，易在孤岛煤柱上形成高度集中应力，使煤体内聚积大量的弹性能，煤柱易失稳诱发冲击地压。因此，需对“刀把”工作面附近类孤岛煤柱体应力演化与塑性区分布开展研究，进而分析其稳定性。研究结果可作为判断孤岛煤柱是否具有冲击危险性的重要依据。

1 工程背景

义桥煤矿3302 综放工作面位于三采区西部，西邻3301、3301（北）工作面采空区，工作面区段煤柱约为4.5 m，东为3303 工作面采空区和实体煤，3302 工作面与3303 工作面煤柱间距为4.5 m 和58.3 m（北部刀把段）。受F356断层影响，该工作面掘进前期需要扩面，面长145.8～175.9 m，推 进 长 度1055～1080 m。3302 工作面煤层底板标高-598.7～-694.5 m，平均-647.45 m；地面标高+33.54～+34.66 m，平均34.15 m，煤层平均埋深681.6 m。工作面开采范围及巷道布置如图1。

图1 工作面开采范围及巷道布置

3302 工作面为煤3，平均厚度3.67 m，煤层倾角平均为6°，以亮煤为主，局部有分层现象，层间夹矸为粉砂岩，煤层普氏系数约1.91，为软～中等硬度煤层。顶底板岩性特征见表1。

表1 顶底板岩性特征表

2 “刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性数值模拟

2.1 数值模型建立

根据上述研究目标与工作面开采顺序，采用FLAC3D数值模拟软件建立600 m（长）×480 m（宽）×136 m（高）的三维数值模型，模型网格如图2，未模拟地层厚度施加15.8 MPa 的均布载荷进行补偿。模拟研究3302 工作面开采过程中“刀把”工作面（3303 工作面）附近孤岛煤柱的应力场演化规律，进而为该煤柱危险性研判与煤柱宽度优化问题提供科学依据。数值模型中，煤层及顶底板厚度和物理参数参考矿方提供地质资料（柱状图、顶底板岩性特征表），煤岩物理力学参数见表2。

表2 煤岩物理力学参数表

图2 计算网格模型

2.2 孤岛煤柱应力及塑性区分析

沿工作面倾向截取煤柱内15 m、30 m、50 m等3 个典型位置，呈现工作面采动对孤岛煤柱的应力影响与其塑性区发育情况。

如图3（a）所示，随着3302 工作面回采，3302 工作面和3303 工作面之间形成孤岛煤柱（如图1 所示），且孤岛煤柱南端承受三侧支承压力相互叠加影响，应力集中程度较高，应力峰值大约位于煤柱内部15 m 处，应力峰值达到约57 MPa，应力集中系数达3.4。煤体应力集中系数较高，受压发生全塑性破坏，如图3（b）所示，此时孤岛煤体易失稳并诱发冲击地压。当工作面推至此区域时，应加强应力监测与冲击危险性监测，防止发生冲击地压灾害。

图3 沿工作面倾向煤柱内15 m

随着3302 工作面继续推进，孤岛煤柱在工作面后方受到两侧采空区应力作用，由于煤柱宽度较大，两侧应力叠加程度较小，形成马鞍形的应力曲线，如图6 所示。可见，随着工作面的回采，逐渐远离孤岛煤柱南端，煤柱承受两侧采空应力呈减小趋势，应力集中程度降低，此时煤柱受力较小，并在煤体中间形成具备承载能力的弹性核，如图4 所示，表现为煤柱弹性核区域不发生塑性破坏，煤柱具有了一定的稳定性。随着工作面的推进，应力集中程度也逐渐降低，如图5 所示，煤柱内部弹性区也越来越大，塑性破坏区越来越小，煤柱也随之更加稳定。

图4 沿工作面倾向煤柱内30 m

图5 沿工作面倾向煤柱内50 m

图6 “刀把”煤柱不同位置垂直应力曲线图

3 结论

随着3302 工作面推进并与孤岛煤柱南端距离加大，工作面下端头处应力集中程度随之减小，煤柱稳定性也逐渐增大，冲击危险性相应减小。但3302 工作面刚推至孤岛煤柱时，在三侧应力相互叠加下，煤柱应力集中比较严重，煤柱完全发生塑性破坏，易造成煤柱失稳诱发冲击地压。因此，“刀把”工作面附近孤岛煤柱受采动影响时，应加强煤柱体内应力与冲击危险性监测，防止煤柱失稳诱发冲击地压事故，尤其在工作面刚推至煤柱时，应进行重点监测。