矿井首采工作面停采位置确定研究

张 胜

（晋能控股集团山西王家岭煤业有限公司， 山西 保德 036600）

工作面停采位置确定是一项较为复杂的系统工程，涉及到矿压显著、围岩控制、综采设备回撤以及煤炭资源开采率等多种因素[1-2]。合理确定停采位置不仅可提高煤炭采收率、减少采动给采区巷道影响，而且有利于后续综采设备回撤[3-5]。现阶段综采工作面停采位置确定一般采用理论分析、经验确定、现场实测以及数值模拟等方式确定[6-7]。为此，文中以山西某矿1301 综采工作面为工程背景，通过数值模拟、现场实测合理确定停采线位置，从而为后续采面停采位置确定提供参考。

1 工程概况

1301 工作面为矿井首采工作面，采面位于1 采区主要回采3 号煤层，3 号煤层埋深平均350 m，倾角3°～6°，硬度f值在0.7～1.5，煤层厚度平均5.92 m。采面整体位于一单斜构造背面，地质条件较为简单，前期回采巷道掘进以及物探均未探测到对采面回采有明显影响的地质构造。3 号煤层直接顶、基本顶分别为厚度3.12 m 粗砂岩、3.6 m 细砂岩；直接底及基本底分别为厚度0.8 m 泥岩、4.3 m 砂质泥岩。

1301 工作面设计斜长、走向长度分别为260 m、1 560 m，采用综放开采方式，采放比为1.0∶1.3。采面原依据临近矿井开采情况设计留设120 m 停采煤柱，煤柱留设方式仅通过经验放确定，同时煤柱留设宽度相对较宽。为此，提出采用现场实测以及数值模拟方式合理确定采面停采位置，以便为后续回采工作面停采煤柱合理确定提供借鉴。

2 工作面停采位置分析

2.1 现场实测分析

采面回采引起的超前支承压力受地质条件、采高等因素影响，采用理论计算方法确定的超前支承压力影响范围与现场实际往往存在较大偏差。为了较为精准的确定1301 工作面超前支承压力分布范围，提出采用KJ216 离层仪对回采巷道顶板离层情况进行测定，通过掌握顶板离层情况确定超前支承压力范围，从而合理确定停采位置。在1301 工作面回风巷内每间隔10 m 布置1 台KJ216 离层仪对巷道顶板离层情况进行测定，具体测定结果见表1 所示。

表1 回风巷顶板离层监测情况

从表1 看出，随着与工作面间距不断增加，回风巷顶板离层量越来越小，当测点与工作面间距增加至90 m 时，顶板离层量均在3 mm 以内。因此可认为采面回采时超前支承压力影响范围为90 m。若将停采线布置距离采区巷道90 m 位置，则采面回采基本不会给采区巷道带来不利影响。

2.2 数值模拟分析

数值模拟技术常用于护巷煤柱、停采煤柱等宽度确定中，具有方法简单、适应性强以及结果可信度高等优点。依据1301 工作面实际地质情况，使用FLAC-3D 软件构建模拟模型，并在采面前方60m、80m、90 m、120 m 等距离布置巷道，对采面回采推进过程中巷道围岩变形以及塑性区分布情况等进行分析。

2.3 超前支承压力分布分析

具体模拟得到巷道围岩应力分布情况见图1 所示。从图中看出，当巷道与采面间留设有60 m 停采煤柱时，采面前方的3 条巷道掘进工作面回采超前支承压力影响范围内，巷道出现一定的变形破坏，围岩稳定性整体较差；当巷道与采面间留设有80 m 停采煤柱时，则与采面最近的巷道（即采区回风巷）受采面回采引起的超前支承压力影响，而与采面距离相对较远的两个巷道（运输巷、轨道巷）则在超前支承压力影响范围之外；当巷道与采面间留设有90 m以上宽度停采煤柱时，采区巷道处于采面引起的超前支承压力影响范围之外，不受采动动压影响，采区巷道围岩稳定性相对较好。

图1 巷道围岩应力分布情况

2.4 采区巷道塑性区分布分析

对不同宽度停采煤柱下的采区巷道（回风巷）围岩塑性区分布进行分析，具体模拟结果见图2 所示。

图2 塑性区分布图

从图2 中看出，当停采煤柱为60 m 宽时在采面超前支承压力作用下，采区回风巷围岩塑性区分布范围相对较大，其中底板、顶板、巷帮塑性区分布范围分别约为2.4 m、2.0 m、1.8 m。当停采煤柱为80 m宽时，采区回风巷受采面超前支承压力影响弱化，采区回风巷围岩塑性区分布范围相对60 m 停采煤柱时有所降低，其中底板、顶板、巷帮塑性区分布范围分别约为1.8 m、1.6 m、1.2 m。当停采煤柱宽度为90 m、120 m 时，采区回风巷塑性区分布基本不受采面超前支承压力影响，塑性区分布范围基本一致，具体顶板、底板以及巷帮塑性区范围分别为1.6 m、1.4 m、1.0 m。

通过数值模拟分析得知，当停采煤柱宽度为60 m、80 m 时，采区巷道受采面超前支承压力影响明显，巷道围岩稳定性较差、控制难度高，难以满足采区巷道长时间使用需要。煤柱宽度为120 m 时虽然可满足采区巷道围岩稳定性控制需要，但是也存在煤炭资源浪费问题。因此，建议将停采煤柱宽度设计为90 m。

3 现场应用分析

通过现场实测以及数值模拟综合分析，决定将1301 工作面停采煤柱由原有的120 m 缩短至90 m，即采面回采推进至1 470 m 时停止回采。为了掌握采区回风巷围岩变形情况，在回风巷内布置测点对采面末采区间巷道围岩变形量进行测定。现场测定发现，采面与采区回风巷间距由150 m 缩小至90 m时，采区回风巷围岩变形量保持不变，顶板、巷帮最大变形量分别控制在3 mm、5 mm。现场应用表明，将采面停采煤柱设计为90 m 可满足采区巷道保护目的，同时可在一定程度上提升采面煤炭资源回采率。

4 结论

1301 工作面为矿井首采工作面，合理确定采面停采煤柱宽度可在一定程度上指导矿井后续生产。为此，采用现场实测法对采面回采引起的超前支承压力影响范围进行测定，并结合数值模拟对不同停采煤柱宽度下的采区回风巷围岩应力、塑性区分布等进行分析。结果表明，现场实测以及数值模拟距表明采面超前支承压力影响范围为90 m，将停采煤柱宽度设计为90 m 可满足采区巷道围岩控制需要。现场应用后，采区回风巷围岩变形较小，采面回采不会给采区巷道围岩控制带来影响。