高应力条件下孤岛工作面隔水煤柱宽度研究.pdf

技术与交流 高应力条件下孤岛工作面隔水煤柱宽度研究 李昌虎李高奇2 （1.枣庄矿业集团矿业管理有限公司太岳分公司，山西长治046599 ; 2.山东能源枣矿集团安监局，山东枣庄277132） 摘要以4206孤岛综放工作面为研究对象，采用理论分析和数值模拟对工作面回风巷隔水煤柱宽度留设进行了研究。研 究结果表明高应力条件下隔水煤柱留设20m满足理论要求，符合防治水规定。回风巷隔水煤柱留设25m,使巷道明显处于 应力降低区，有利于巷道围岩控制及灾害预防，研究成果为高应力条件下的隔水煤柱留设提供参考。 关键词孤岛工作面；高应力；隔水煤柱；应力分布 中图分类号TD822.3 文献标识码A 1引言 孤岛工作面巷道掘进及工作面回采期间，由于受到两侧 大面积采空影响，导致工作面矿压显现比非孤岛工作面明显, 从而影响到护巷煤柱宽度的选择，因此研究高应力条件下孤 岛工作面护巷煤柱宽度对于煤矿现场围岩控制及灾害防治具 有指导意义。本文以4206孤岛工作面为研究对象，从应力 分布和防水要求两个方面考虑，研究了工作面回风巷护巷煤 柱的合理宽度，为类似条件下的护巷煤柱宽度选择提供参考。 2工程背景 4206工作面位于42盘区东部，工作面呈西南一东北方 向布置，其南为4208工作面（临近回风平巷），已开采， 北界为4204工作面（临近运输平巷），已开采，东界为42 盘区安装通道，西界为42盘区辅运、胶带、总回风大巷叫 临近的4204工作面巷道在掘进和使用过程中，底鼓大， 两帮变形量大，顶板下沉严重。同时，4208工作面上下起伏 且顶板存在漏水问题，在4208采空区低点已形成15m水头 的积水，工作面回风平巷采用留防水煤柱掘巷布置巷道，防 止采空区积水可能会渗透煤柱对4206工作面掘进及回采造 成影响。因此4206孤岛工作面面临高应力及采空区积水威胁。 3防水煤柱宽度理论分析 3.1采动影响下梁的理论 以梁理论为基础，并结合矿压因素，主要是考虑采后动 压对煤柱的破坏作用，研究了老空水下防水煤柱的留设。提 出了老窑积水大倾角隔离煤柱留设的修正公式 L KM/PF/KfPt ytan/9-fe （1） 式中L-防水隔离煤柱宽度，m; K-安全系数，一般取 M-煤层高度，m,取7.8m; P-水头压力，MPa,积水深度15m,水头压力0.15MPa; F-老顶抗剪强度，取14MPa; Kp-煤的抗拉强度，取0.54MPa; PT-煤的抗压强度，取11.98MPa; B-坍塌角的余角，取15。； h-开采深度，取500m。 当 k l .l 时，1 17.4m,取 18m; 当 k 1.3 时，I18.4m,取 19m; 按照公式1,可讨算得到防水煤柱宽度约为 3.2极限平衡理论 主要考虑采动影响下煤柱两侧极限平衡区宽度和中心弹 性区媒体的临界尺寸，研究了老空水下防水煤柱的留设。认 为在隔水煤柱中弹性区起到了防水作用，为抵抗一定压力的 地下水作用所需要的煤柱宽度，应当是煤柱中扣除两侧极限 平衡区后所剩下的中心弹性区宽度叫在考虑了矿压、水压 的联合作用后，提出了弹性区媒体破坏临界宽度的计算公式 如下，即 ” y[2c cos - sin 5 （p ;KyH） ]1 （KfH - p - 7 J2（ （ 2） ） 式中，Le-为弹性区煤体破坏的临界宽度； p-为水压,取0.15MPa; M-为煤层厚度，取7.8m; c-为煤层粘结力，取1.5MPa; 为煤层内摩擦角，取33。; ffxb-为极限平衡区和中心弹性区交界处的水平应力， 取 11.3MPa; K-为作用在弹性区媒体上的应力集中系数，取2.05; Y-为煤层上覆岩层的平均容重，取2.5xl O4N/m3; H-为煤层埋深，取500m。 按照公式2,求得Le11.8m,防水煤柱宽度不小于 12mo 4防水煤柱宽度数值模拟分析 经理论计算，防水要求应达到19m,按照规定要求，可 选取20m,但考虑到该工作面为孤岛工作面，高应力必然会 对煤柱的稳定性产生影响，因此需要通过数值模拟手段进行 分析应力对煤柱留设的影响。 4.1模型建立 设计4206工作面及运输平巷、回风平巷模型大小为 长x宽X高800 x 300 x 40m, 4204工作面左边界和4208 工作面右边界分别位于模型左、两侧距离边界50m处。4206 工作面埋深为500m左右，工作面处原岩应力为13.6MPao 4.2模拟结果分析 4.2.1侧向支承压力分布特点 4206工作面回采形成侧向支承压力，对沿空掘巷所留煤 柱的稳定造成宜接影响，侧向支承压力分布如图1所示。 收稿日期2020-04-07 作者简介李昌虎（1986-）,男，副矿长，研究方向采矿工程。 047 图1侧向支承压力分布范围 在0到5m之间，垂直应力逐渐上升，上升速度较快， 不适宜留设煤柱；在5m到10m之间，垂直应力下降，下降 速度较快，不适宜留设煤柱；在10m到25m之间，应力集 中系数曲线较为平稳，在加强支护的前提下，可以考虑留设 煤柱，距离采空区25m的位置，应力集中系数为1.03,到达 原岩应力区。 4.2.2 20m-25m煤柱留设分析 从侧向支承压力分布特点可以发现，按照理论计算，将 煤柱宽度留设20m在加强支护前提下可以正常使用,但留设 25m煤柱可大大降低风险，因此本节重点分析工作面采掘期 间20m-25m煤柱之间的稳定性。 巷道掘进期间各煤柱宽度下巷道围岩稳定性如表1所示。 可以发现，当煤柱宽度为25m时，巷道变形曲线趋于平稳， 随着煤柱宽度增加，围岩变形量继续减小但变化不明显。具 体表现为煤柱宽度20m变化到25m,巷道煤柱帮变形量由 191m减少到53m,下降了 72.3,巷道实体煤帮变形量由 100m减少到59m,下降了 41.0,巷道顶板下沉量由183m 减少到110m,下降了 34.4,巷道煤柱帮变形量由118m减 少到52叫 下降了 55.9,选择煤柱宽度为25m。 围岩稳定性 20m煤柱 23 m煤柱 24 m煤柱 25 m煤柱 25m减少量 表1掘进期间不同煤柱巷道围岩变化 垂竝力/MPa28.823.121.721.425.6 应力集中系数2.121.71.61.5725.6 煤柱帮位移量/mm191109675372.3 实体煤帮位移量/mm10070655941.0 顶板下沉量/mm18313411711034.4 底鼓量/mm11873575255.9 巷道回采期间各煤柱宽度下巷道围岩稳定性如表2所示。 跟掘进期间类似，煤柱宽度留设到25m时，巷道围岩稳定性 明显变好，因此从应力角度看，回风巷隔水煤柱留设25m较 为合理。 表2回采期间工作面0m处巷道围岩变化 围岩稳定性 20 m煤柱 23 m煤柱 24 m煤柱 25 m煤柱 25m减少量 垂力/MPa30.128.327.427.29.6 应力集中系数2.212.082.0229.6 煤柱帮位移量/mm19015313813230.5 实体煤帮位移量/mm32223919318442.9 顶板下沉量/mm83652738735657.4 底鼓量/mm261113837770.5 5结语 （1） 高应力条件下的隔水煤柱宽度需要同时考虑理论 防水要求和应力分布的影响。 （ （2） ） 根据采动影响下梁的理论和极限平衡理论计算， 孤岛工作面回风巷20m隔水煤柱满足需求。 （ （3） ） 考虑孤岛工作面高应力影响，回风巷隔水煤柱留 设25可明显降低风险，有利于巷道围岩稳定。 （责任编辑侯辛锋） 参考文献 [1] 李永明水体下急倾斜煤层充填开采覆岩稳定性及 合理防水煤柱研究[D].中国矿业大学,2012. [2] 王永红，沈文.中国煤矿水害预防及治理[M].煤炭 工业出版社， ，1996. S tudy on the Width of the Water-Isol ating Coal Pil l ars in the Isl and Face under High S tress Li Changhu 1 ,Li Gaoqi2 1. Taiyue Branch of S handong Energy Zao Mining Group Mining Management Company, Changzhi 046599; 2. S afety S upervision Bureau of S handong Energy Zao Mining Group, Zaozhuang 277132 Abstract Tak ing 4206 isol ated isl and ful l y mechanized top coal caving face as the research object, the theoretical anal ysis and numerical simul ation were used to study the width retention of the coal pil l ars in the return airway of the face. The resul ts of the study show that under high- stress conditions, l eaving 20m of water-proof coal pil l ars meets the theoretical requirements and meets the water control regul ations. Retaining 25m of coal pil l ars in return air l anes wil l mak e the tunnel obviousl y in the stress reduction zone, which is conducive to the surrounding rock control and disaster prevention of the tunnel . Key words Isol ated isl and work ing face; High stress; Impermeabl e coal pil l ar; S tress distribution 048