孤島工作面煤柱寬度對圍巖應力分布的影響分析

馮 鑫

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

隨著國民經濟發展對煤炭需求量的增加，煤炭資源逐漸枯竭，致使煤礦企業在有限空間中盡可能多的回收煤炭資源，成為企業可持續發展亟待解決的問題，而孤島工作面成為解決這一問題的有效方法之一[1]。目前，我國大部分煤炭企業都存在孤島工作面的現象，而孤島工作面由于煤柱應力集中，巷道圍巖變形嚴重，對工作面的安全生產造成威脅，因此，如何合理選擇孤島工作面的煤柱寬度，采取合適的支護方法有效控制巷道圍巖變形，是孤島工作面安全、快速回收煤炭資源的關鍵[1-4]。本文以王莊煤礦8105孤島工作面為背景，采用數值模擬的方法，分析確定合理的煤柱留設寬度。

1 工作面概況及模型構建

8105工作面位于王莊煤礦81采區，主采二疊系3號煤層，煤層厚度6.5 m，采用綜合機械化放頂煤開采。煤層直接頂為0.82 m厚的泥巖，基本頂為11.74 m厚的中砂巖，直接底為0.82 m厚的粉砂巖，基本底為2.03 m厚的砂巖。8105工作面為孤島工作面，工作面采掘工程平面位置如圖1所示，本文選取8105運巷，對其區段煤柱寬度留設進行研究。

根據8105工作面的地質條件，基于FLAC3D軟件建立數值模型，模型尺寸為：300 m(長)×40 m(寬)×80 m(高)，模型各巖層力學參數依據現場所取巖塊經實驗室力學實驗測試結果(見表1)，材料力學變形符合“摩爾-庫倫”準則。模型上表面設定為應力邊界，同時底邊界在垂直方向固定，兩側邊界和前后邊界水平方向固定。工作面回采巷道模擬斷面為5 m×3.2 m。對比分析不同煤柱寬度條件下兩幫垂直應力分布規律，以及巷道圍巖變形規律，以此來確定合理的區段煤柱寬度。

圖1 8105工作面采掘工程平面

表1 巖層力學參數

2 不同煤柱寬度對兩幫垂直應力分布特征的影響

本文設定的數值模擬實驗，采用的煤柱寬度方案分別為4 m、6 m、8 m、12 m、15 m和30 m。在掘進巷道且覆巖穩定后分別監測不同方案中巷道兩幫的垂直應力分布規律，將不同煤柱寬度方案下的監測數據導出并繪圖，見圖2。對比分析，煤柱寬度對巷道兩幫內的應力分布影響非常明顯，并且也表現出一定的規律性。

圖2 不同煤柱寬度沿空巷道兩側應力分布

1) 隨著煤柱寬度的增加，煤柱內垂直應力的峰值呈現先增大后趨于穩定的規律，從4 m煤柱到12 m煤柱垂直應力峰值由6 MPa增大到約25 MPa，而隨著煤柱寬度的進一步增大，垂直應力峰值沒有發生明顯變化，趨于約30 MPa的穩定狀態。另外，4 m煤柱的垂直應力峰值明顯低于本文中設定的原巖應力(11.7 MPa)，無法承載掘進擾動的側向采動應力峰值，不利于巷道的長期穩定。

2) 隨著煤柱寬度的增加，實體煤幫內垂直應力峰值呈現先增大后減小的規律，但增大幅度較小，從4 m煤柱到12 m煤柱垂直應力峰值由27 MPa增大到約32 MPa，12 m煤柱的實體煤幫垂直應力峰值達到最大。所以認為12 m煤柱的實體煤幫內處于高應力環境，巷道圍巖不容易穩定。

3) 隨著煤柱寬度的增加，煤柱內垂直應力峰值距巷道中心的距離也增加，從4 m煤柱時的3 m增大到30 m煤柱時的15 m；而實體煤幫內垂直應力峰值距巷道中心距離呈現先減小、后增大、而后又減小的趨勢，最小值為8 m煤柱距離為8.5 m，最大值為12 m煤柱的11.5 m。垂直應力峰值距離巷道越近，表明煤體的承載能力越高。

綜上所述，當煤柱留設為4 m時，由于受采動擾動影響煤柱內垂直應力較低，失去了對頂板的承載能力不利于巷道圍巖的穩定，因此其不是合理的煤柱留設方案。當煤柱大于12m時，垂直應力峰值明顯增大，距離巷道較遠，當孤島工作面回采時，巷道產生的超前支承壓力將與垂直應力產生相互疊加的效果，不利于巷道圍巖的穩定。而當煤柱留設寬度大于15m后，垂直應力峰值沒有發生明顯變化，同時應力峰值距離巷道中心較遠，不符合優化利用資源的基本原則。所以，王莊煤礦8105孤島工作面運巷煤柱留設選擇6～8m為最優，此時煤柱內的垂直應力峰值在10.5～16.5MPa范圍內，而實體煤內峰值應力在28～31.5MPa范圍內。說明此時的護巷煤柱既可以發揮其一定的承載能力，同時從工作面側向采動壓力的分布規律來看，也可以長期存在于側向采動應力的應力降低區，有利于維護巷道圍巖的長期穩定。

3 不同煤柱寬度巷道圍巖變形規律

不同煤柱寬度條件下，巷道圍巖變形模擬結果，見圖3。

1) 雖然4 m煤柱也處在最終巷道的側向采動壓力的應力降低區，但是由于其在掘進過程中受到采動擾動的影響，失去了承載能力，導致其變形反而比之后的6 m或8 m煤柱要大。

2) 煤柱寬度留設為12～30 m時，巷道水平變形呈現先增大而后減小的規律。當煤柱寬度為12～15 m時，由于其處于工作面側向采動應力的峰值區，其最終的水平變形較6～8 m煤柱也較大。而從前文的分析可以看出，在煤柱寬度12 m之后，隨著煤柱寬度的進一步增大，護巷煤柱內的支承壓力峰值會持續增大并最終趨于穩定，且30 m煤柱留設的巷道變形量與6 m、8 m煤柱比較接近，但煤柱留設過大將不利于資源的高效回收利用。

3) 當煤柱寬度取6～8 m范圍時，雖然其在掘進受采動擾動期間會承受一定階段的側向采動應力峰值影響，但是其將在掘進后長期處于側向采動應力的降低區，是有利于巷道長期穩定的，從圖3中也可看出，留設6～8 m煤柱時巷道圍巖變形得到了有效的控制。

圖3 不同煤柱寬度巷道水平變形量

4 結 語

1) 4 m煤柱由于在掘進期間無法承受側向采動應力的影響失去了承載能力，導致其變形較大。同時，隨著煤柱留設寬度增大，巷道圍巖垂直應力峰值呈現先增大而后趨于穩定的規律。

2) 隨著留設煤柱寬度的增大，巷道圍巖變形量呈現先減小、后增大、而后又減小的規律。煤柱寬度為12～15 m，圍巖長期處于工作面側向采動應力峰值區，塑性區域偏大，不利于巷道的長期穩定。雖然30 m煤柱時巷道圍巖受采動影響小，但不利于資源的高效回收利用。

3) 通過對不同煤柱寬度下，巷道圍巖應力變化，以及巷道的變形量進行分析，建議8105孤島工作面運巷側煤柱留設寬度為6～8 m。