工作面停采外侧不规则煤柱宽度优化分析

万广绪 于秀慧 李 瑶

（1.鄂托克前旗长城三号矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271019）

随着煤炭开采深度与强度的增大，开采条件与赋存条件也日益复杂，容易引起显著的矿压显现与动力灾害。在煤炭开采过程中，为了便于巷道维护，往往需要留设一定尺寸的煤柱[1]。如工作面末采时，停采线合理位置的确定，不仅能够提高煤炭资源的回收率，还可以维护附近巷道稳定[2]，降低停采煤柱内冲击危险性。因此，在保证工作面安全停采的前提下，合理确定工作面停采煤柱留设尺寸，最大限度地提高资源回收率[2-5]，对于矿井综合收益的提升有着积极意义[6]。以工作面缩面设计停采线及其与辅顺联络巷之间形成的不规则煤柱为研究对象，同时考虑满足安全生产和回采率，通过建立FLAC3D数值模型研究工作面停采线合理位置及超前支承压力对其外侧不规则煤柱的应力影响，进而实现对该工况下的停采线的合理优化。

1 工程背景

鄂托克前旗长城三号矿5316 工作面位于五采区东南部，西邻5312 采空区和断层，南部为风氧化带，东部为未采的5317 工作面，北部为未采区域。工作面北部设计停采线，辅顺通过五采辅运上山与五采辅助进风巷和五采中间辅运巷连接，用作进风和运料；胶顺通过五采1#回风联络巷和2#回风联络巷，与三采区回风巷连接，用作回风和运煤；胶顺与五采1#回风联络巷之间布置一条胶顺联络巷。工作面埋藏深度平均486 m，前半段净面长325 m，推进长度353.5 m，区段煤柱宽度3.5 m，缩面后净面长248 m，推进长度471.4 m，在大断层影响区工作面与5312工作面之间的煤柱宽度80～150 m（其中，辅顺联络巷段宽度为3.5～80 m）。工作面布置如图1。

图1 工作面开采范围及巷道布置（m）

工作面开采3煤层，平均煤厚6.20 m，结构简单，普氏硬度f=2～3。其顶底板特征见表1。

表1 顶底板岩性特征表

2 工作面停采外侧不规则煤柱宽度优化

5316 工作面辅顺联络巷缩面设计停采线距离辅顺联络巷与辅顺拐弯点10 m，工作面停采线与辅顺联络巷之间段形成不规则煤柱，如图1 所示。停采线距离辅顺联络巷较近，超前支承压力对不规则煤柱影响较大，增大了该区域的冲击危险性，易诱发不规则煤柱失稳冲击。因此，采用FLAC3D数值模拟软件建立三维数值模型对该停采线合理位置进行优化设计。

2.1 模型的建立

以工作面开采为工程背景，根据现场实际情况与参数特征建立FLAC3D数值模型。模型尺寸为369 m（长）×477 m（宽）×102 m（高），如图2。根据研究目标与实际开采顺序，模型首先开挖5312工作面形成采空区，而后分步开采5316 工作面，研究工作面停采位置分别距辅顺联络巷50 m、40 m、30 m、20 m、10 m（煤柱宽度为50 m、40 m、30 m、20 m、10 m）时，辅顺联络巷附近支承压力及其峰值变化规律，以确定设计停采线的合理位置，为辅顺联络巷维护和工作面安全生产提供参考依据。三维数值计算模型如图2。

图2 三维数值计算模型

2.2 工作面超前支承压力对停采线前方煤柱影响

由图3（a）可知，随着5316 工作面推进，受5312 采空区形成的侧向支承压力与本工作面回采产生的超前支承压力相互叠加，上端头超前形成高应力集中区，并波及至辅顺联络巷。图3（b）～（e）为5316 辅顺联络巷左侧分别留设50 m、40 m、30 m、20 m 煤柱时，巷道附近的支承应力峰值持续增加，此时煤柱附近积聚的弹性能持续增加，对巷道的稳定性造成威胁。但在留设10 m 煤柱时，如图3（f），辅顺联络巷附近的应力峰值迅速下降，表明煤柱由原来的弹性承压状态转变为塑性破坏状态，煤柱承载能力大幅减弱，煤柱易发生整体失稳，增大了煤柱的冲击危险性与巷道的维护难度。因此，辅顺联络巷附近的应力峰值呈现出先增大后减小的趋势。

图3 工作面超前支承压力对前方煤柱的影响

提取上述5316 工作面开采过程中的5 个煤柱应力峰值，描绘出应力峰值与停采煤柱宽度的关系曲线如图4。辅顺联络巷左侧留设50 m、40 m煤柱时，煤柱内支承应力峰值分别为31.2 MPa、32.3 MPa，应力集中系数为2.57、2.66，应力峰值增长较为缓慢；但当留设30 m 和20 m 煤柱时，应力峰值急剧增加，分别为37.2 MPa 和43.6 MPa，应力集中系数分别达到3.06 和3.56，显著影响辅顺联络巷的稳定性；当留设10 m 煤柱时，应力峰值迅速下降为30.9 MPa，应力集中系数为2.54。

图4 停采煤柱宽度与煤柱内应力峰值关系曲线

因此，从停采煤柱内应力集中与其对辅顺联络巷的影响的角度考虑，为保障生产期间5316 辅顺联络巷的稳定性，同时兼顾停采煤柱低冲击危险性与高煤炭采出率，建议辅顺联络巷停采线外侧合理煤柱宽度留设40 m。

3 结论

对综采工作面缩面设计停采线位置选取与其附近联络巷之间的不规则煤柱应力演化开展数值模拟研究，随停采线外侧煤柱宽度由50 m 减至20 m 时，煤柱内应力不断积聚，应力峰值由31.2 MPa 增大至43.6 MPa，辅顺联络巷受高集中应力影响明显，不利于巷道安全正常使用；随后煤柱继续减至10 m 时，应力峰值迅速降低至30.9 MPa，此时煤柱发生塑性破坏，不利于辅顺联络巷的稳定，增大了其支护难度。

基于工作面开采安全与提高煤炭回采率两方面因素，建议此工况下停采煤柱合理宽度为40 m。辅顺联络巷停采线外侧留设40 m 宽的煤柱既能保证在巷道附近的支承应力峰值持续增加，又能够避免煤柱内集中应力急剧降低状态下引发的塑性破坏，降低附近联络巷的支护难度，有效提高煤炭资源的回收率，提升了综合效益。