孤岛工作面区段煤柱承载特性演化规律研究

李天龙

(潞安化工集团 王庄煤矿，山西 长治 046031)

随着煤炭资源的枯竭，如何尽可能多地开采煤炭资源，是当前急需解决的问题，对孤岛工作面进行开采成为解决这一难题的有效方法之一[1-3]。孤岛工作面煤柱应力集中水平较大，矿压规律显现较为明显，巷道围岩变形破坏严重，易自然发火[4]。破坏巷道需要多次翻修和加强支护，不仅增加成本而且威胁安全高效生产[5]。

国内学者在孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度确定和围岩稳定性控制方面开展了大量的研究。针对沿空掘巷上覆岩层结构特征，提出了综放沿空掘巷上覆岩层“大小结构”的观点，在“大结构”稳定的前提下，锚(索)杆与围岩组成的“小结构”是决定巷道能否稳定的关键[6-8]。针对沿空掘巷煤柱宽度的确定，提出了很多合理的方法，主要包括：①对工程案例归纳推理，得出不同围岩条件下合理的煤柱宽度；②采用数值模拟软件对巷道围岩变形和应力分布特征进行分析，确定合理的煤柱宽度。③建立巷道围岩力学结构模型，利用极限平衡理论推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度范围[9-10]。在沿空掘巷稳定性控制方面，研发了高强、高预紧力、高延伸率锚杆(索)支护系统和恒阻大变形锚索等支护技术来控制围岩稳定[11-13]。

基于此，文章借助UDEC数值模拟方法，以某矿孤岛工作面为工程背景，进行区段煤柱承载特性演化规律研究，确定合理的沿空掘巷煤柱宽度。

1 工程背景及模型构建

某矿3号煤层为综合机械化放顶煤开采，煤层厚度平均为6.5 m，倾角平均3°，其中8105工作面走向长度2 400 m，工作面宽度230 m；8103工作面走向长度2 200 m，工作面宽度210 m；8106工作面走向长度2 600 m，工作面宽度220 m。试验巷道为8105孤岛工作面进风巷，一侧为实体煤帮，另一侧为采空区，为了改善沿空巷道的维护条件，进行煤柱承载特性演化规律研究，8105工作面采掘工程平面图、综合钻孔柱状图分别如图1和图2所示(图2根据钻孔王-109资料显示该区域3号煤层顶底板岩性。钻孔地面标高931.3 m，3号煤层底板标高664.54 m)。

图1 8105 工作面采掘工程平面

图2 8105 工作面综合钻孔柱状

根据以上参数，结合8105工作面生产地质条件建立数值计算模型，采用摩尔库伦本构模型，模型尺寸为180 m×70 m，进风巷断面为5 m×3.2 m，模型左右边界及底部固定，如图3和图4所示。设计Trigon数值模拟方案，对比分析不同煤柱宽度(5 m、7 m、10 m)下，巷道全动压过程中煤柱内裂隙扩展规律及承载特性演化规律，来确定合理的煤柱宽度，计算过程为：建立数值计算模型—原岩应力平衡计算—8103、8106工作面回采计算—计算结果输出与分析—8105巷道掘进—计算结果输出与分析。

图4 UDEC数值模型示意

2 掘进期间不同宽度煤柱承载特性演化规律

借助数值模拟方法，对比分析不同宽度(5 m、7 m、10 m)煤柱时，巷道掘进期间围岩应力演化特征和裂隙扩展特征，研究煤柱的承载特性。

2.1 掘进期间不同宽度煤柱内应力分布规律

8105工作面进风巷掘进期间，不同宽度煤柱对应的巷道围岩垂直应力云图和曲线图分别如图5和图6所示，可以看出：

图5 掘进期间不同宽度煤柱内垂直应力云图

图6 掘进期间不同宽度煤柱内垂直应力曲线

1) 8105工作面进风巷掘进后，巷道围岩应力重新分布，预留不同宽度区段煤柱时，巷道围岩垂直应力存在一定差异，煤柱内部垂直应力云图对称分布，随着区段煤柱宽度的增大，煤柱内垂直应力峰值也逐渐增大。

2) 随着区段煤柱宽度的增大，煤柱内垂直应力峰值增大，煤柱宽度为5 m时，煤柱内垂直应力峰值为6 MPa低于原岩应力；当煤柱宽度为7 m时，煤柱内垂直应力峰值8 MPa，煤柱内应力略小于原岩应力；当煤柱宽度为10 m时，煤柱内垂直应力峰值为11 MPa左右，煤柱内应力峰值接近原岩应力。

2.2 掘进期间不同宽度煤柱内裂隙分布规律

不同区段煤柱宽度下，8105工作面进风巷掘进期间巷道帮部裂隙扩展规律如图7所示。

图7 掘进期间不同宽度煤柱内裂隙分布

由图7可以得出以下结论：

1) 当采用不同宽度煤柱时，煤柱内裂隙扩展范围不同，煤柱内的裂隙区分布呈现明显的对称性；随着煤柱宽度的增加，煤柱内的裂隙扩展深度逐渐减小，其中张拉裂隙主要分布在煤柱两侧的表面，剪切裂隙主要分布在煤柱深部。

2) 当煤柱宽度为5 m时，张拉裂隙主要分布在巷道的表面，煤柱中心出现大量剪切裂隙，裂隙几近贯通，煤体基本失去承载能力；当煤柱宽度为7 m时，存在完整的承载煤体区域，此时煤体处于塑性承载状态；当煤柱宽度为10 m时，巷道两帮的张拉裂隙与剪切裂隙不再扩展，煤柱中部存在一定的弹性承载核。

3 回采期间不同宽度煤柱承载特性演化规律

借助数值模拟方法，对比分析不同宽度(5 m、7 m、10 m)煤柱时，巷道回采期间围岩应力演化特征和裂隙扩展特征，确定合理的煤柱宽度。

3.1 回采期间不同宽度煤柱内应力分布规律

不同区段煤柱宽度下，8105工作面回采期间煤柱内垂直应力云图如图8所示，可以看出：煤柱宽度为5 m时，煤柱中部垂直应力峰值大小为8 MPa，低于原岩应力；当煤柱宽度为7 m时，煤柱中部垂直应力峰值接近原岩应力，具备一定的承载能力；当煤柱宽度为10 m时，煤柱中部垂直应力峰值为26 MPa，应力集中系数为2.3，煤柱处于应力增高区。

图8 回采期间不同宽度煤柱内垂直应力云图

3.2 回采期间不同宽度煤柱内裂隙分布规律

不同区段煤柱宽度下，8105工作面回采期间煤柱裂隙扩展规律如图9所示。破坏程度随煤柱宽度的增大而减弱。当煤柱宽度为5 m时，煤柱内的剪切破坏严重，剪切和张拉裂隙相互贯通，基本失去承载能力；当煤柱宽度为7 m时，煤柱内存在裂隙闭合区，煤体处于塑性承载状态；当煤柱宽度为10 m时，煤柱内应力较大，并且存在裂隙闭合区，煤柱中部存在一定的弹性承载核。

图9 回采期间不同宽度煤柱内裂隙分布

4 煤柱宽度确定及工业性实验

综上所述，当煤柱宽度取7 m时，煤柱位于侧向支承压力与原岩应力叠加的应力降低区，处于塑性承载状态，具备一定的承载能力，有利于巷道长期稳定，同时考虑现场施工情况，最终确定了8105工作面进风巷的护巷煤柱宽度为7.0 m。

为了验证7 m煤柱的合理性，在进风巷设置测站，对围岩表面位移、锚杆(索)受力情况进行观测并对巷道围岩变形进行分析，矿压观测结果以及围岩控制效果分别如图10、图11和图12所示。

图10 掘进期间巷道表面变形情况

图11 掘进期间锚杆锚索受力情况

图12 巷道围岩控制效果

从图10可以看出：8105工作面进风巷在掘进期间，随着距掘进迎头距离的增加，巷道顶板移近量最大值为150 mm，底鼓量为145 mm左右，两帮移近量为 325 mm 左右，巷道围岩变形趋于稳定。

从图11可以看出：随着掘进迎头的推进，试验巷道内锚杆(索)受力逐渐增大并最终趋于稳定。

从图12的8105工作面进风巷的现场照片，可以看出巷道围岩变形较小，整体控制效果较好。

5 结 语

文章采用数值模拟方法，分析了掘进和回采期间不同宽度煤柱内应力和裂隙分布规律，得到了孤岛工作面区段煤柱承载特性演化规律，主要结论为:

1) 借助离散元数值软件UDEC 6.0对煤柱内裂隙扩展规律和应力分布规律进行研究，得出：煤柱为5 m时，裂隙扩展贯通，煤柱失去承载能力；煤柱为7 m时，处于侧向采动压力的压力减低区，存在裂隙闭合区，为塑性承载状态；煤柱为10 m时，煤柱处于弹性承载状态。综合考虑施工安全与资源回收，最终确定煤柱宽度为7 m。

2) 借助工业性实验观测试验巷道在掘巷和回采期间的围岩活动规律，得出：8105工作面进风巷掘进期间，巷道整体变形量在预计范围内，锚杆(索)受力逐渐增大并最终趋于稳定，整体控制效果较好。