孤島工作面煤柱合理尺寸研究與應用

彭志剛

(西山煤電集團公司 西曲礦，山西 古交 030200)

·試驗研究·

孤島工作面煤柱合理尺寸研究與應用

彭志剛

(西山煤電集團公司 西曲礦，山西 古交 030200)

孤島工作面巷道圍巖應力集中程度較高，回采巷道支護困難。以某礦30222孤島工作面回采巷道為背景，結合理論和UDEC數值模擬，分析了該孤島工作面巷道圍巖應力分布特征。研究表明：由于孤島工作面圍巖應力相對常規工作面增大，通過力學模型計算并結合數值模擬分析，留設6 m窄煤柱能夠使圍巖處于較穩定的狀態；工程實踐表明，采用錨網索加注漿加固能夠較好的控制巷道圍巖變形。

孤島工作面；煤柱寬度；UDEC數值模擬；礦壓觀測

孤島工作面通常面臨圍巖應力集中程度高、煤體破碎、礦壓顯現強烈等問題[1-3]. 高應力狀態下巷道支護是孤島工作面面臨的主要問題。

本文以某煤礦3#煤二采區孤島工作面回風巷道為工程背景，通過分析孤島工作面圍巖應力特征，研究了巷道頂板結構及煤柱的受載，推導孤島工作面高應力條件下煤體塑性區計算方法，并結合UDEC數值模擬結果，確定合理的窄煤柱寬度。提出孤島工作面回采巷道的支護方案并進行工程驗證。研究結果為孤島工作面回采巷道煤柱留設提供參考。

1 孤島工作面概況

某煤礦3#煤平均埋深413 m，煤層厚度平均6.82 m，采用綜放工藝進行回采，采高3.0 m. 30222工作面位置示意圖見圖1，北鄰30223采空區，南鄰30221采空區，西為實體煤，東接302采區皮帶下山。

圖1 30222工作面位置示意圖

在回風大巷采用應力解除法進行了原巖應力測試，測試地點附近無地質構造。測試結果表明：在無地質構造和采動影響區域，垂直應力均值為12.03 MPa，與按自重計算的垂直應力11.15 MPa基本相當。而對于孤島工作面回采巷道，由于其兩側均已采空，工作面需分擔兩側采空區部分覆巖重量，造成孤島工作面應力集中程度升高，導致巷道頂板和兩幫變形較大。

為了弄清孤島工作面圍巖應力集中程度，采用ANZI型地應力傳感器對孤島工作面巷道圍巖進行了次生應力實測,其測點布置和測定結果見圖2，表1.

圖2 測點布置示意圖

測點水平距離/m垂直距離/m水平應力/MPa垂直應力/MPa110.39.719.5525.3624.23.88.5610.7833.64.15.578.2145.49.36.3210.62

分析表1可知，孤島工作面回采巷道圍巖應力集中程度較高。圖2中1號測點位于側向支承壓力峰值附近，其垂直應力可達25.36 MPa，為原巖應力的兩倍以上。2號、3號測點位于巷道表面附近，由于巷道表面發生塑性破壞，圍巖中垂直應力接近原巖應力。而4號測點由于側向關鍵塊回轉擠壓，也進入塑性區，應力降低。

孤島工作面懸臂梁結構示意圖見圖3. 由圖3分析可知，工作面兩側煤體被采空后，采空區頂板垮落、下沉。除了碎脹矸石會對覆巖起到一定的支撐作用外，采空區兩側實體煤會分擔采空區覆巖荷載。

圖3 孤島工作面懸臂梁結構示意圖

因此，相比普通回采巷道，孤島工作面巷道圍巖應力集中程度高，需考慮圍巖中應力增加的情況。

2 孤島工作面結構分析

研究表明[4，5]，長壁工作面頂板破斷呈“O-X”破斷，工作面側向頂板斷裂位置見圖3，基本頂側向存在3種破斷位置，即破斷線在煤壁內(Ⅰ)、破斷線在煤壁上方(Ⅱ)、破斷線在煤壁外(Ⅲ)。其相應的鉸接點位置如圖3所示。通常基本頂側向破斷會在煤壁內2～3 m，本次取破斷線位于煤壁內3 m進行分析，即圖3中Ⅰ所示位置。

孤島工作面回采巷道掘進時，相鄰工作面已回采結束，其頂板已垮落穩定。由于孤島面應力集中程度較高，煤柱寬度通常大于5 m(小于5 m認為是無煤柱護巷)，因此巷道通常位于基本頂懸臂梁下方，而護巷煤柱除了受孤島面高應力的影響，還會承擔一部分弧形三角板的載荷，應當綜合考慮這兩方面因素合理設計煤柱留設方式。

3 煤柱寬度確定

煤體的彈塑性變形的應力分布見圖4. 如圖4所示，將巷道布置在塑性區，能夠實現煤層中鉛垂應力較小且煤柱寬度較小[6，7].

1—彈性應力分布 2—彈塑形應力分布Ⅰ—破裂區 Ⅱ—塑性區 Ⅲ—彈性區應力升高部分 Ⅳ—原始應力區圖4 煤體的彈塑性變形的應力分布圖

塑性區的寬度X0(m)為：

(1)

式中：

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

A—側壓系數，A=u/(1-u)，其中u為泊松比，取0.28；

φ0—煤體的內摩擦角，(°)，取20.3；

C0—煤體內聚力，MPa，取1.2；

K—應力集中系數，取4；

γ—覆巖容重，MN/m3，取0.027；

H*—等效埋深，m，取761；

PZ—支護阻力，MPa，取0.

代入式(1)可得，X0=9.8 m，即支承壓力峰值位于煤壁內9.8 m處，為將煤柱留設在應力降低區內，設計煤柱寬度小于X0的2/3，故煤柱寬度需小于6.5m，現場采用6m窄煤柱進行支護。

采用UDEC軟件建立孤島工作面覆巖運動模型，模型走向長度為200m，垂直高度為60m，巷道尺寸為寬4.7m×高3.0m，主要研究孤島工作面不同煤柱寬度條件下巷道圍巖破壞場位演化特征，見圖5.

圖5 不同寬度煤柱圍巖破壞場分布規律圖

從圖5可以看出，孤島工作面巷道在留設6m小煤柱的情況下，巷道圍巖完整性好，煤巷處于較穩定的狀態；當煤柱寬度增加到10m、15m時，圍巖穩定性較差，煤柱處于高應力條件下易變形失穩；當煤柱寬度繼續增加，達到20m時，煤柱支撐能力增加，煤柱穩定性逐步增強，但是較寬的煤柱尺寸容易造成煤炭資源的浪費，可見留設6m小煤柱最合理。

4 現場效果分析

回風平巷沿煤層底板掘進，斷面為矩形，巷道凈斷面尺寸為寬4.7m×高3.0m. 現場支護方案為：錨網支護+錨索補強+噴漿+注漿聯合支護。

孤島工作面煤柱寬度已確定現場選擇支護方式時參照相鄰工作面的支護加大支護密度，在采空側布置錨索，對巷道圍巖進行注漿加固，巷道支護及加固方案如下：

頂錨桿采用桿體為d20mm高強左旋螺紋鋼，長度為2 400mm，錨桿間排距800mm；頂錨索長9.3m，采用d17.8mm的鋼絞線，小三花布置，排距800mm；幫錨桿每排4根，間排距800mm；幫錨索布置在采空區一側巷幫，每排兩根，間距1 300mm，排距1 600mm，長5.0m錨索；鋼筋托梁用d14mm的鋼筋焊接而成，寬度90mm. 注漿深度3.5m，注漿壓力1.0～1.5MPa，漿液擴散半徑1.0～1.5m，采取間隔交替注漿方式，注漿孔排距0.8m，孔深2.5m，見圖6.

圖6 回采巷道支護布置圖

圖7對比分析了孤島工作面與相鄰巷道支護效果，可以看出，現場采用6m窄煤柱并進行合理支護能夠對巷道變形進行較好的控制且巷道變形量與相鄰工作面相近。

圖7 表面位移觀測結果圖

5 結 論

孤島工作面煤體需分擔兩側采空區覆巖荷載，導致孤島面煤體中應力升高，回采巷道采用常規支護巷道變形、破壞嚴重。孤島面回采巷道煤柱留設時，考慮煤體中應力升高和弧形三角板結構的共同作用，設計煤柱寬度6m. 現場實踐表明，采用6m窄煤柱及錨網索加注漿加固，巷道變形得到了較好控制。

[1] 秦忠誠，王同旭.深井孤島綜放工作面跨采軟巖巷道合理支護技術[J].煤炭科學技術，2003，31(5)：7-10.

[2] 華心祝，劉 淑，劉增輝，等．孤島工作面沿空掘巷礦壓特征研究及工程應用[J]．巖石力學與工程學報，2011，30(8)：1646-1651.

[3] 竇林名，何 燁，張衛東.孤島工作面沖擊礦壓危險及其控制[J].巖石力學與工程學報，2003，22(11)：1866-1869.

[4] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003：243-244.

[5] 柏建彪，張金亮，王龍芳.孤島綜放面巷道支護機制和技術研究[J].礦山壓力與頂板管理，2002(4)：5-7.

[6] 張科學，郝云新，張軍亮，等．孤島工作面回采巷道圍巖穩定性機理及控制技術[J]．煤礦安全，2010，41(11)：61-64.

[7] 周 舟.厚煤層孤島工作面小煤柱回采巷道圍巖控制技術研究[D]．太原：太原理工大學，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

彭志剛(1982—)，男，山西廣靈人，2013年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事煤礦綜采安全技術管理工作

(E-mail)545606153@qq.com

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1672-0652(2016)10-0004-04