工作面停采外側不規(guī)則煤柱寬度優(yōu)化分析

萬廣緒 于秀慧 李 瑤

（1.鄂托克前旗長城三號礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；2.山東科技大學資源學院，山東 泰安 271019）

隨著煤炭開采深度與強度的增大，開采條件與賦存條件也日益復雜，容易引起顯著的礦壓顯現(xiàn)與動力災害。在煤炭開采過程中，為了便于巷道維護，往往需要留設一定尺寸的煤柱[1]。如工作面末采時，停采線合理位置的確定，不僅能夠提高煤炭資源的回收率，還可以維護附近巷道穩(wěn)定[2]，降低停采煤柱內(nèi)沖擊危險性。因此，在保證工作面安全停采的前提下，合理確定工作面停采煤柱留設尺寸，最大限度地提高資源回收率[2-5]，對于礦井綜合收益的提升有著積極意義[6]。以工作面縮面設計停采線及其與輔順聯(lián)絡巷之間形成的不規(guī)則煤柱為研究對象，同時考慮滿足安全生產(chǎn)和回采率，通過建立FLAC3D數(shù)值模型研究工作面停采線合理位置及超前支承壓力對其外側不規(guī)則煤柱的應力影響，進而實現(xiàn)對該工況下的停采線的合理優(yōu)化。

1 工程背景

鄂托克前旗長城三號礦5316 工作面位于五采區(qū)東南部，西鄰5312 采空區(qū)和斷層，南部為風氧化帶，東部為未采的5317 工作面，北部為未采區(qū)域。工作面北部設計停采線，輔順通過五采輔運上山與五采輔助進風巷和五采中間輔運巷連接，用作進風和運料；膠順通過五采1#回風聯(lián)絡巷和2#回風聯(lián)絡巷，與三采區(qū)回風巷連接，用作回風和運煤；膠順與五采1#回風聯(lián)絡巷之間布置一條膠順聯(lián)絡巷。工作面埋藏深度平均486 m，前半段凈面長325 m，推進長度353.5 m，區(qū)段煤柱寬度3.5 m，縮面后凈面長248 m，推進長度471.4 m，在大斷層影響區(qū)工作面與5312工作面之間的煤柱寬度80～150 m（其中，輔順聯(lián)絡巷段寬度為3.5～80 m）。工作面布置如圖1。

圖1 工作面開采范圍及巷道布置（m）

工作面開采3煤層，平均煤厚6.20 m，結構簡單，普氏硬度f=2～3。其頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

2 工作面停采外側不規(guī)則煤柱寬度優(yōu)化

5316 工作面輔順聯(lián)絡巷縮面設計停采線距離輔順聯(lián)絡巷與輔順拐彎點10 m，工作面停采線與輔順聯(lián)絡巷之間段形成不規(guī)則煤柱，如圖1 所示。停采線距離輔順聯(lián)絡巷較近，超前支承壓力對不規(guī)則煤柱影響較大，增大了該區(qū)域的沖擊危險性，易誘發(fā)不規(guī)則煤柱失穩(wěn)沖擊。因此，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型對該停采線合理位置進行優(yōu)化設計。

2.1 模型的建立

以工作面開采為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場實際情況與參數(shù)特征建立FLAC3D數(shù)值模型。模型尺寸為369 m（長）×477 m（寬）×102 m（高），如圖2。根據(jù)研究目標與實際開采順序，模型首先開挖5312工作面形成采空區(qū)，而后分步開采5316 工作面，研究工作面停采位置分別距輔順聯(lián)絡巷50 m、40 m、30 m、20 m、10 m（煤柱寬度為50 m、40 m、30 m、20 m、10 m）時，輔順聯(lián)絡巷附近支承壓力及其峰值變化規(guī)律，以確定設計停采線的合理位置，為輔順聯(lián)絡巷維護和工作面安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。三維數(shù)值計算模型如圖2。

圖2 三維數(shù)值計算模型

2.2 工作面超前支承壓力對停采線前方煤柱影響

由圖3（a）可知，隨著5316 工作面推進，受5312 采空區(qū)形成的側向支承壓力與本工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力相互疊加，上端頭超前形成高應力集中區(qū)，并波及至輔順聯(lián)絡巷。圖3（b）～（e）為5316 輔順聯(lián)絡巷左側分別留設50 m、40 m、30 m、20 m 煤柱時，巷道附近的支承應力峰值持續(xù)增加，此時煤柱附近積聚的彈性能持續(xù)增加，對巷道的穩(wěn)定性造成威脅。但在留設10 m 煤柱時，如圖3（f），輔順聯(lián)絡巷附近的應力峰值迅速下降，表明煤柱由原來的彈性承壓狀態(tài)轉變?yōu)樗苄云茐臓顟B(tài)，煤柱承載能力大幅減弱，煤柱易發(fā)生整體失穩(wěn)，增大了煤柱的沖擊危險性與巷道的維護難度。因此，輔順聯(lián)絡巷附近的應力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖3 工作面超前支承壓力對前方煤柱的影響

提取上述5316 工作面開采過程中的5 個煤柱應力峰值，描繪出應力峰值與停采煤柱寬度的關系曲線如圖4。輔順聯(lián)絡巷左側留設50 m、40 m煤柱時，煤柱內(nèi)支承應力峰值分別為31.2 MPa、32.3 MPa，應力集中系數(shù)為2.57、2.66，應力峰值增長較為緩慢；但當留設30 m 和20 m 煤柱時，應力峰值急劇增加，分別為37.2 MPa 和43.6 MPa，應力集中系數(shù)分別達到3.06 和3.56，顯著影響輔順聯(lián)絡巷的穩(wěn)定性；當留設10 m 煤柱時，應力峰值迅速下降為30.9 MPa，應力集中系數(shù)為2.54。

圖4 停采煤柱寬度與煤柱內(nèi)應力峰值關系曲線

因此，從停采煤柱內(nèi)應力集中與其對輔順聯(lián)絡巷的影響的角度考慮，為保障生產(chǎn)期間5316 輔順聯(lián)絡巷的穩(wěn)定性，同時兼顧停采煤柱低沖擊危險性與高煤炭采出率，建議輔順聯(lián)絡巷停采線外側合理煤柱寬度留設40 m。

3 結論

對綜采工作面縮面設計停采線位置選取與其附近聯(lián)絡巷之間的不規(guī)則煤柱應力演化開展數(shù)值模擬研究，隨停采線外側煤柱寬度由50 m 減至20 m 時，煤柱內(nèi)應力不斷積聚，應力峰值由31.2 MPa 增大至43.6 MPa，輔順聯(lián)絡巷受高集中應力影響明顯，不利于巷道安全正常使用；隨后煤柱繼續(xù)減至10 m 時，應力峰值迅速降低至30.9 MPa，此時煤柱發(fā)生塑性破壞，不利于輔順聯(lián)絡巷的穩(wěn)定，增大了其支護難度。

基于工作面開采安全與提高煤炭回采率兩方面因素，建議此工況下停采煤柱合理寬度為40 m。輔順聯(lián)絡巷停采線外側留設40 m 寬的煤柱既能保證在巷道附近的支承應力峰值持續(xù)增加，又能夠避免煤柱內(nèi)集中應力急劇降低狀態(tài)下引發(fā)的塑性破壞，降低附近聯(lián)絡巷的支護難度，有效提高煤炭資源的回收率，提升了綜合效益。