不规则孤岛工作面开采可行性研究.pdf

江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 不规则孤岛工作面开采可行性研究 徐诚军 1，熊辉荣2，杨建平2 （1.安源煤业集团股份有限公司，江西南昌330002；2.江西煤业集团有限责任公司尚庄煤矿，江西丰城331100） 摘要基于孤岛工作面回采过程中，工作面矿压显现强烈、顶板来压强度大等情况，通过对孤岛工作面开采应力和液压支 架阻力计算、巷道布置方式研究，提出了矿压控制方法,为不规则孤岛综采工作面的成功开采提供了依据。 关键词不规则孤岛工作面；应力；巷道布置方式；工作阻力 中图分类号TD823.87文献标识码A文章编号1006-2572（2020）02-0004-03 Study on Mining Feasibility at Irregular Island Coal face Xu Chengjun1，Xiong Huirong2，Yang Jianping2 （1.Anyuan Coal Industry Group Co., Ltd., Nanchang, Jiangxi 330002； 2.Shangzhuang Colliery, Jiangxi Coal Industry Group Co., Ltd, fengcheng, jiangxi 331100 Abstract Based on the situation of strong strata behavior and roof pressure during the stoping process in island coal face, the of controlling mine pressure is put forward through the calculation of mining stress and hydraulic support resistance of island coal face and the study of roadway layout, which provides a basis for the successful mining of irregular island fully mechanized coal face. Key words irregular island coal face; stress; roadway arrangement; working resistance 在采区内形成至少一个沿工作面走向方向两 侧均为采空区的工作面，或工作面三边、四周均为 采空区的工作面， 这样的工作面称为孤岛工作面。 受断层、开采遗留问题、煤层走向方位调整等因素 制约，会造成工作面沿走向形状不规则。 常见不规 则工作面（也称工作面面长不等长工作面）有楔形、 梯形、三角形、扇形、刀把等形状［1］。 对于孤岛工作面 来说，工作面煤体内的应力叠加、峰值变大、应力增 高区扩展，造成工作面矿压显现强烈、顶板来压强 度大。 随着开采推进，工作面前方的煤柱尺寸逐步减 小（或加长），煤柱应力增大。 尚庄煤矿706煤柱工作 面属于三角形孤岛工作面，合理判定尚庄煤矿706煤 柱工作面的安全开采可行性， 制定合理的安全技术 措施，对于确保矿井安全生产具有重要意义。 尚庄煤矿706煤柱工作面位于尚庄井田东翼， 为矿井接续工作面， 煤层底板标高-440～-470m， 工作面平均埋深约490m，走向长度175m，倾向长 度63～178m，平均120m，煤层厚度1.2～3.1m， 平均2.2m， 煤层倾角10～13， 可采储量约 0.065Mt。706煤柱工作面北部为702工作面；南部 为706工作面；西部为风井保护煤柱，东部为东III采 区上山保护煤柱。706煤柱工作面处于702工作面和 706工作面采空区之间，且工作面为三角形，面长沿 走向为非规则形状，工作面前方的煤柱尺寸不断减 小，706煤柱工作面所处的应力环境越来越复杂。 706煤柱工作面采掘工程平面见图1。 4 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 图1 706煤柱工作面采掘工程平面 2.1 706煤柱工作面开采过程数值模拟 本次数值模拟采用Rhino建模、分组、划分网格， 然 后 利 用Rhino与FLAC3D接 口 插 件Griddle导 入 FLAC3D进行赋值，运算。 考虑到三角煤柱建模的复杂性及模型运行速 度，本次将三角煤柱简化为长方体煤柱，数值模型 参照尚庄煤矿采掘工程平面图及井下现状而建，上 覆岩层及其岩性根据尚庄煤矿综合水文地质柱状 图进行选择。 数值模型大小为690m950m 267.8m，模型顶部剩余249m岩层通过施加垂直应 力代替，施加垂直应力大小为6.23MPa，上覆岩层 及其岩性参数见表1。 按最大采高2.8m模拟煤柱稳 定性。 表1岩层参数取值 2.2数值模拟结果 （1）工作面推进过程中煤柱塑性区分布 随着工作面推进，煤柱塑性区逐渐增大，当工 作面推进210m，距停采线10m时，煤柱内部仅剩 10m左右的弹性核区，当工作面推进220m，到达原 设计停采线时，煤柱完全破坏，失去承载能力；由于 702、706工作面已全部采完， 工作面与老采空区之 间留设煤柱两侧处于临空状态， 随着工作面推进， 塑性区发育，亦逐渐失去承载能力，在工作面推进 过程中需加强对工作面顺槽护巷煤柱的支护。 （2）工作面推进过程中煤柱垂直应力云图 由图2可知，随着工作面推进，工作面前方煤柱 内最大垂直应力经历了先增大后减小的过程。 在工 作面推进后期，垂直应力逐渐减小，这是因为随着 工作面推进，煤柱尺寸减小，应力集中增大，煤柱塑 性区发育，支撑能力逐渐减小。 特别是当工作面推 进距离达到190m时， 煤柱内垂直应力达到最大极 限，随后煤柱发生整体破坏，逐步失去承载能力。 图2工作面推进过程中煤柱最大垂直应力变化规律 从开采实践看，将回采巷道布置在塑性区，并使 护巷煤柱宽度与巷道宽度之和小于极限平衡区宽 度，使巷道围岩处于卸压区内，能保证巷道的稳定和 安全。 根据极限平衡区宽度的理论计算公式为［2］ x0 MA 2tanφ ln KγH C tanφ C tanφ PA A ［］ （1） 式中M为工作面采高，m；A为 侧 压 系 数 ，Aμ/ （1-μ），μ为泊松比；φ为煤的内摩擦角；C为煤体 黏聚力，MPa；K为应力集中系数；γ为上覆岩层平 均容重，kN/m3；H为巷道埋深，m；PA为回采巷道的 支护阻力，MPa。 对 于706煤 柱 工 作 面 ， 采 高 按 最 大 采 高M 2.8m计算 （采高降低时影响范围减小），μ0.35， A0.54，φ18，C0.7MPa，H490m，γ25kN/m3， PA0。 应力集中系数在开切眼位置K2.64，在停采 线位置为5.26，均取为平均应力系数的1.5倍。 则在开切眼位置，x06.54m； 在停采线位置， x08.10m。 根据706煤柱工作面设计， 护巷煤柱宽5.5～ 7.0m，巷道宽4.2m，护巷煤柱基本处于极限平衡 区之卸压区内，巷道可能处于极限平衡区应力峰值 岩性厚度，m 内摩擦 角，m 剪切模 量，GPa 体积模 量，GPa 黏聚力 ，MPa 抗拉强 度，MPa 底板细粒 砂岩 50393.375.393.592.8 煤层2.2180.1360.260.70.7 泥岩21210.2720.520.81.0 粉砂岩27362.864.582.822.35 细粒砂岩24393.375.393.592.8 泥岩56210.2720.520.81.0 砂质泥岩23302.223.561.921.6 粉砂岩32362.864.582.822.35 细粒砂岩32393.375.393.592.8 5 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 边缘，需要对巷道加强维护，采取加强支护、临时支 护、预留卸压空间等技术措施。 支架的工作阻力与支护强度和支护面积有关。 支护强度的大小取决于工作面采场矿压的大小，但 由于目前对采场矿压的大小还不能进行准确的定 量计算，目前主要以经验法或实测数据，来确定支 护强度。 根据706煤柱工作面煤柱稳定性分析， 只要保 持工作面前方煤体的稳定，上覆岩层的载荷仍然主 要由前方煤柱支承，工作面支护强度仍能根据矿山 压力理论进行计算，只是需要在计算时选用较大的 富裕系数。 4.1支护强度计算 （1）采用经验公式计算合理的支护强度 q1KγM10-5（2） 式中q1为工作面合理的支护强度，kPa；M为平均采 高，m；γ为顶板岩石平均容重，取25kN/m3；K为工作 面支架支护的上覆岩层厚度与采高之比， 一般为 4～8。 由式（2），计算的706煤柱工作面所需的支护强 度采高按平均采高2.2m计算，q182.225 440kPa。 （2）按现行较通用的岩石容重法公式计算支架 的动载支护强度 q2kd M Kp-1 γ（3） 式中q2为支架的动载支护强度，kPa；kd为动载系 数，一般取1.2～2.0根据矿压观测情况取值；M为 采厚，m；kP为上覆冒落带岩石碎胀系数，取1.25；γ 为顶板岩石平均容重，25kN/m3。 由式（3），可得根据岩石容重法计算的706煤柱 工作面所需的支护强度。 q22 2.2 1.25-1 25440kPa（4） 4.2支架工作阻力校核 工作阻力支护强度支架的支护面积。 可用 下式计算 Pqmax（LkLd）B（5） 式中P为支架工作阻力，kN；qmax为支架的支护强度 （取q1、q2最大值），kN/m2；Lk为梁端距，m；Ld为顶梁 长度，m；B为支架中心距，m。 根据设计，706煤柱工作面拟选用支架的型号 为ZY3200-17/36支撑掩护式液压支架。 支架顶梁长 度3.6m，端面距0.3m，支架中心距1.5m。 按平均 采高2.2m计算、支护强度为0.44MPa时，支架应提 供的工作阻力为P0.445.852574kN，考虑1.2倍 的富裕系数， 支架的工作阻力最小应为3089kN。 ZY3200-17/36型两柱掩护式液压支架的工作阻力 为3200kN，按平均采高2.2m计算，能满足工作面 支护强度0.44MPa的要求。 需要注意的是， 由于706煤柱工作面为非规则 工作面，工作面开采宽度逐步由170m减小为63m， 根据理论计算和数值模拟结果，工作面前方煤体内 的应力集中系数和最大垂直应力在不断增大。 因此 在开采过程中要密切注意支架阻力的变化，出现支 护异常时及时终止开采，保证生产安全。 根据706煤柱工作面的地质采矿条件， 利用理 论分析和数值模拟技术， 对706煤柱工作面开采的 可行性进行了深入研究，得出主要结论如下 1） 理论分析和数值模拟结果均表明，706煤柱 工作面推进长度不应超过190m， 支架支护强度应 不低于0.44MPa。 2）随着工作面开采宽度的减小，应力集中越来 越大，要严格按计算采高开采，选用工作阻力较大 的支架，加强支架阻力变化的监测，如有异常，应及 时采取停采等技术措施。 3）护巷煤柱基本处于极限平衡区卸压区内，需 加强工作面顺槽和回风巷的支护，采取锚网梁加锚 索、超前加强支护等综合措施，防止应力集中对回 采巷道稳定性的影响。 参考文献 ［1］ 宋子良，刘小鹏，王继宇，等.孤岛不规则工作面开采 技术实践,2014（4）214-216. ［2］ 侯朝炯,马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区 的探讨.煤炭学报,1989（4）21-29. 作者简介徐诚军（1986-），男，江西上饶人，中国矿业大学 采矿工程专业毕业，本科学历，采矿工程师，现任安源煤业 集团股份有限公司生产技术部高级主管， 负责生产技术工 作。 收稿日期2019-12-24编 辑廖文德 6