马兰矿12504工作面窄小煤柱稳定性研究

王 磊

（西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030205）

目前，长壁综采工作面采用大型自动化设备、具有机械化高效高产的特点，在现代化矿井采煤中非常普遍[1-2]。因而，长壁开采回采巷道煤柱宽度的确定和稳定性特征成为众多学者关注难题之一。研究表明，无论是宽煤柱护巷还是窄煤柱护巷，巷道和煤柱都位于采场的三维应力场中，煤柱宽度的改变不仅影响其自身的物性和应力分布，而且会对附近采场的稳定性造成严重影响，进而影响到巷道的稳定性[3-7]。

为了分析马兰矿12504工作面留设窄小煤柱的稳定性，并确定其对回采巷道的稳定性影响，本文运用大型三维数值计算软件[8]对12504工作面回采巷道和煤柱围岩的应力、位移、破坏区域进行了研究。分析了护巷煤柱、采场和回采巷道周围的应力场和位移场分布，确定出煤柱和回采巷道围岩的卸压区和破坏区域，为合理留设煤柱提供理论依据。研究结果可供同类矿井的支护和生产参考。

1 工作面的地质条件

马兰矿是座新型矿井、国有重点煤矿，隶属于山西焦煤西山煤电集团公司，距太原市69km。它的12504工作面地表位于马头山及大蛇沟，地表多被黄土覆盖，沟谷两侧出露P2S2地层，盖山厚度337～400 m，平均358m。工作面采煤层为石炭二叠系山西组2号煤，属稳定可采近水平中厚煤层，煤层厚度2.68～3.57 m、均厚3.26 m，为1号与2号煤层合并区，结构较复杂；靠上部含一层夹矸，厚度0.07～0.40 m、平均0.17 m；岩性以粉砂质泥岩为主，煤层结构0.29（0.17）2.80。本区上部02号煤大部未采，煤厚1.05～1.30 m，平均1.10 m；02号煤与2号煤层间距8～14m、平均11m。

2 数值计算模型

根据12504工作面的地质和开采条件，依据数值计算的建模原则，模型长148 m，宽80 m，高29.1 m，其中两条回采巷道宽各4m，窄小煤柱宽8m，宽煤柱宽30 m，。模型（除上边界外）的五个边界面的法向位移固定，上边界施加10 MPa的均布压力，以模拟上覆岩层的重力作用，并且施加重力场。岩层厚度及力学参数如表1所示。计算过程中，首先平衡重力场，随后开掘回采巷道，最后开挖工作面。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

3 模拟结果分析

图1 初始应力场

图1为初始应力场分布云图。认为初始应力场由原岩自重应力场产生，从上往下，铅垂应力逐渐增大，近似静水压力。

3.1 掘巷后的巷道稳定性分析

可以通过回采巷道围岩的应力场和位移场的分布特征，判断巷道的稳定性特征。因此绘制了巷道附近铅垂和水平方向的应力及位移等值线图，并且绘制了围岩破坏区域分布图。

图2 掘巷后铅垂应力分布云图

图2为铅垂应力分布等值线图，在两条回采巷道周围、煤壁一定深度都有应力集中区域；在两巷中间的煤体上，应力集中区域和集中程度较大，且应力集中区域较深。巷道表面附近的围岩，都处于应力衰减区域；即卸压区在两巷中间的煤柱下面，也存在一定大小的应力集中区域。

图3 掘巷后水平应力分布云图

图3为掘巷后的水平应力分布云图。在巷道顶底板附近形成了卸压区域，深部存在应力集中区。

图4 掘巷后铅垂位移分布云图

图4为掘巷后围岩的铅垂位移分布云图。铅垂位移最大处在两条回采巷道的顶板正上方；在两条巷道上方，整体铅垂位移都较大；向两工作面方向靠近，铅垂位移逐渐减小；巷道地板铅垂位移向上，表明顶底板距离减小，即顶底板在移近。

图5 掘巷后水平位移分布云图

图5为巷道掘成后围岩的水平位移分布云图。在巷道两帮形成较明显的水平位移，巷道两帮移近。

图6 掘巷后围岩破坏区域分布图

图6为掘巷后围岩的破坏区域分布图。巷道围岩形成了一定的破坏区，帮部破坏深度较顶底板稍大，顶底板破坏区域靠近两条巷道之间的煤柱。

3.2 12503工作面回采后的围岩稳定性分析

煤柱稳定性主要依靠煤柱上的应力分布和煤柱表面附近的水平位移判断。为了分析窄小煤柱的稳定性特征，绘制12503工作面采后围岩的铅垂和水平方向应力及位移云图，以及围岩破坏区域分布图。从图7看出，煤柱表面附近都出现了卸压区，在靠近采空区附近煤柱上卸压区范围更大，此处铅垂应力最小。再往深部是应力集中区，应力集中程度高、范围大。巷道表面形成了较大范围卸压区域，靠近采空区域巷道周边煤柱都有较大应力集中区，尤其在靠近采空区一边。

图7 12503工作面采后铅垂应力分布云图

图8 12503工作面采后水平应力分布云图

图8为12503工作面采后水平应力分布云图。水平应力最大处在12503工作面采空区上方，窄煤柱上方、靠近采空区回采巷道上方、宽煤柱上方，都有较大的水平应力。

图9 12503工作面采后铅垂位移分布云图

图9为12503工作面回采后围岩的铅垂位移分布云图。在12503工作面采空区上方，覆岩下沉明显；尤其是在采空区中央，覆岩下沉量最大；往煤柱方向，覆岩的下沉量逐渐减下。

图10 12503工作面采后水平位移分布云图

图10为12503工作面回采后围岩的水平位移分布云图。煤柱表面附近都出现了较大水平位移；煤柱上最大水平位移出现在煤柱靠近采空区处；上覆岩层在采空区和窄煤柱交界处上方一定范围内，形成较大水平位移。

图11 12503工作面采后围岩破坏区域分布图

图11为12503工作面回采后围岩的破坏区域分布图。采空区上方岩层垮落，并在上方形成大范围的围岩破坏区；离采空区较远的巷道几乎不受影响；靠近采空区的回采巷道围岩破坏区域和深度有所增大，尤其是靠近采空区的巷道帮部，窄煤柱煤体破坏区域大；但是破坏区域没有贯通，煤体内部存在一定弹性区域，表明煤柱留设合理，既满足生产稳定性要求，又不存在过度资源浪费。

从数值模拟结果看：远离12503工作面的回采巷道受工作面采动影响非常小；靠近12503工作面的回采巷道在工作面采后，围岩破坏区域急剧增大，并在周围煤体中形成很大应力集中区域；窄煤柱上应力集中程度最高，煤柱应变能密度相应很大，煤体上积聚了大量的势能；此时，不仅要对巷道加强支护，还要对窄煤柱加强支护，并要采取措施防止煤岩突出。

4 支护建议

马兰矿12504工作面窄煤柱留设的稳定性分析结果表明，巷道掘成后两条回采巷道周围都有破坏区域，应对巷道帮部和顶板进行支护，防止冒顶和片帮事故。当12503工作面回采时，靠近采空区的巷道围岩应力集中程度增大，破坏区域增大，窄煤柱上面的应力集中程度和范围都很大；故应对此巷道加强支护，建议巷道进行整体锚固（靠近帮部的顶锚杆和靠近顶部的帮锚杆倾斜安装，以形成整体锚固结构），并要使用锚网、钢带、钢筋梁等措施加强支护，必要时使用单体支柱对顶板进行支护，并对煤柱采取加固措施防止煤突出。

5 结束语

本文利用大型数值计算软件，分析了马兰矿12504长壁工作面留设窄小煤柱的稳定性特征，探讨了回采巷道掘进和12503工作面回采对回采巷道稳定性的影响，主要结论如下：第一，马兰矿12504和12503工作面间的回采巷道不同于单个巷道，围岩存在二次应力场叠加；12503回采时，靠近采空区的回采巷道稳定性极差，要采取加强支护措施。第二，窄小煤柱在工作面回采后，煤体上形成大范围的破坏区，中部形成应力集中程度高的区域，要防止煤突出。第三，12503工作面回采时，靠近采空区的回采巷道应该采用整体锚固、加强锚固强度、锚固密度、锚固长度，并采用钢带、锚网、钢筋梁加强支护，必要时采用单体支柱对顶板加强支护。

[1]汪理全，杨真.长壁综合机械化采煤方法的发展趋势[J].煤炭科学技术，2005，33(1):10-13.

[2]Yang Shuangsuo,Niu Shaoqing.Thick Board Theory on the Bolting Support of the Ribs in Coal Mine Roadway[J].Advanced Materials Research，Vols.255-260(2011)：3775-3779.

[3]侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J].煤炭学报，2001，26(1):1-6.

[4]王连国，缪协兴.煤柱失稳的突变学特征研究[J].中国矿业大学学报，2007，36(1):7-11.

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[6]毛华晋，牛少卿，颜文艳.长壁开采条件下巷道三岔口稳定性研究[J]，山西煤炭，2011，31(1):39-41.

[7]杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010,35(11):1842-1853.

[8]Itasca Consulting Group,Inc.USA.FLAC3D[M].Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions,version 3.0,User’s Manual.