“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析.pdf

1982023 年第 8 期“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析张经龙1 李 瑶2 戴洪泰2（1.汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272511；2.山东科技大学资源学院，山东 泰安 271019）摘 要 以义桥煤矿已开采“刀把”工作面与接续工作面之间形成的孤岛煤柱为研究对象，采用 FLAC3D数值模拟方法研究了采动影响下孤岛煤柱体内应力集中塑性区发育情况。结果表明：接续工作面推至孤岛煤柱时，在三侧应力叠加下煤柱应力高度集中并完全塑性破坏，煤柱易失稳且易诱发冲击地压；随工作面与孤岛煤柱南端距离增大，应力集中程度随之降低，煤柱稳定性逐渐增大，冲击危险性相应减小。关键词 孤岛煤柱；煤柱失稳；应力叠加中图分类号 TD322 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.063Stability Analysis of Isolated Coal Pillars Near the Knife Handle Working FaceZhang Jinglong1 Li Yao2 Dai Hongtai2(1.Wenshang Yiqiao Coal Mine Co.,Ltd.,Shandong Jining 272511;2.College of Resources,Shandong University of Science and Technology,Shandong Taian 271019)Abstract:Taking the isolated coal pillars formed between the mined knife handle working face and the continuous working face in Yiqiao Coal Mine as the research object,the development situation of stress concentration plastic zones in isolated coal pillars under the influence of mining is studied by using FLAC3D numerical simulation method.The results show that when the continuous working face is pushed to the isolated coal pillar,the stress of the coal pillar is highly concentrated and completely plastic broken under the superposition of three side stresses,and the coal pillar is easy to lose stability and induce rock burst;As the distance between the working face and the southern end of the isolated coal pillars increases,the degree of stress concentration decreases,the stability of the coal pillar gradually increases,and the risk of impact decreases accordingly.Key words:isolated coal pillar;the unstability of coal pillar;stress superposition收稿日期 2023-01-06作者简介 张经龙（1988），男，山东济宁人，2012 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，工程师，研究方向：煤矿井巷支护、开采、冲击地压、一通三防、采掘管理及安全生产技术管理等。张经龙等：“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析信息化技术与绿色发展煤炭开采深度与强度不断增大，地质条件与赋存条件也随之复杂1-2。为保证工作面正常安全生产接续，往往需要留设各种类型的煤柱3-4。受工作面开采影响，尤其是工作面采掘后形成类孤岛煤柱时，煤柱或孤岛煤柱上易受到采动影响范围内超前应力与侧向应力等影响而形成应力高度集中，显著增强了矿震、冲击地压等动力灾害的诱发4-5。3303 工作面开采末期缩面形成“刀把”工作面，“刀把”处与 3302 设计工作面采空区间将形成类孤岛煤柱。受两工作面采动与采空区影响，易在孤岛煤柱上形成高度集中应力，使煤体内聚积大量的弹性能，煤柱易失稳诱发冲击地压。因此，需对“刀把”工作面附近类孤岛煤柱体应力演化与塑性区分布开展研究，进而分析其稳定性。研究结果可作为判断孤岛煤柱是否具有冲击危险性的重要依据。1 工程背景 义桥煤矿 3302 综放工作面位于三采区西部，西邻 3301、3301（北）工作面采空区，工作面区段煤柱约为 4.5 m，东为 3303 工作面采空区和实体煤，3302 工作面与 3303 工作面煤柱间距为 4.5 m 和 58.3 m（北部刀把段）。受 F356断 层 影 响，该 工 作 面 掘 进 前 期 需 要 扩 面，面长 145.8175.9 m，推 进 长 度 10551080 m。1992023 年第 8 期张经龙等：“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析3302 工作面煤层底板标高-598.7-694.5 m，平均-647.45 m；地面标高+33.54+34.66 m，平均 34.15 m，煤层平均埋深 681.6 m。工作面开采范围及巷道布置如图 1。图 1 工作面开采范围及巷道布置3302 工作面为煤 3，平均厚度 3.67 m，煤层倾角平均为 6，以亮煤为主，局部有分层现象，层间夹矸为粉砂岩，煤层普氏系数约 1.91，为软 中等硬度煤层。顶底板岩性特征见表 1。表 1 顶底板岩性特征表名称岩性厚度/m岩性特征基本顶中砂岩11.85以石英为主、长石次之，层理发育，f=6.013.0直接顶粉砂岩0.80深灰色，性脆易破碎，f=3.05.0伪 顶泥岩0.40灰黑色，质软易冒落，f=1.53.0直接底泥质粉砂岩2.10上部以泥岩为主，质软易破碎，具膨胀性，下部以粉砂岩为主，岩性较坚硬，f=2.04.0基本底中细砂岩互层5.60以石英为主，f=5.012.02 “刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性数值模拟2.1 数值模型建立根据上述研究目标与工作面开采顺序，采用FLAC3D数值模拟软件建立600 m（长）480 m（宽）136 m（高）的三维数值模型，模型网格如图 2，未模拟地层厚度施加 15.8 MPa 的均布载荷进行补偿。模拟研究 3302 工作面开采过程中“刀把”工作面（3303 工作面）附近孤岛煤柱的应力场演化规律，进而为该煤柱危险性研判与煤柱宽度优化问题提供科学依据。数值模型中，煤层及顶底板厚度和物理参数参考矿方提供地质资料（柱状图、顶底板岩性特征表），煤岩物理力学参数见表 2。2.2 孤岛煤柱应力及塑性区分析沿工作面倾向截取煤柱内 15 m、30 m、50 m等 3 个典型位置，呈现工作面采动对孤岛煤柱的应力影响与其塑性区发育情况。如图 3（a）所示，随着 3302 工作面回采，3302 工作面和 3303 工作面之间形成孤岛煤柱（如图 1 所示），且孤岛煤柱南端承受三侧支承压力相互叠加影响，应力集中程度较高，应力峰值大约位于煤柱内部 15 m 处，应力峰值达到约 57 MPa，应力集中系数达 3.4。煤体应力集中系数较高，受压发生全塑性破坏，如图 3（b）所示，此时孤岛煤体易失稳并诱发冲击地压。当工作面推至此区域时，应加强应力监测与冲击危险性监测，防止发生冲击地压灾害。图 2 计算网格模型表 2 煤岩物理力学参数表岩性密度/（kg/m3）体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/（）泥岩23405.003.002.152.5025.0粉砂岩27505.104.844.472.3030.0中砂岩27006.873.384.194.2628.0细砂岩27005.874.382.152.5028.0煤13504.503.001.201.4025.2 （a）应力云图 （b）塑性区图图 3 沿工作面倾向煤柱内 15 m2002023 年第 8 期 （a）应力云图 （b）塑性区图图 4 沿工作面倾向煤柱内 30 m （a）应力云图 （b）塑性区图图 5 沿工作面倾向煤柱内 50 m 图 6 “刀把”煤柱不同位置垂直应力曲线图随着 3302 工作面继续推进，孤岛煤柱在工作面后方受到两侧采空区应力作用，由于煤柱宽度较大，两侧应力叠加程度较小，形成马鞍形的应力曲线，如图 6 所示。可见，随着工作面的回采，逐渐远离孤岛煤柱南端，煤柱承受两侧采空应力呈减小趋势，应力集中程度降低，此时煤柱受力较小，并在煤体中间形成具备承载能力的弹性核，如图 4 所示，表现为煤柱弹性核区域不发生塑性破坏，煤柱具有了一定的稳定性。随着工作面的推进，应力集中程度也逐渐降低，如图 5 所示，煤柱内部弹性区也越来越大，塑性破坏区越来越小，煤柱也随之更加稳定。3 结论 随着 3302 工作面推进并与孤岛煤柱南端距离加大，工作面下端头处应力集中程度随之减小，煤柱稳定性也逐渐增大，冲击危险性相应减小。但3302 工作面刚推至孤岛煤柱时，在三侧应力相互叠加下，煤柱应力集中比较严重，煤柱完全发生塑性破坏，易造成煤柱失稳诱发冲击地压。因此，“刀把”工作面附近孤岛煤柱受采动影响时，应加强煤柱体内应力与冲击危险性监测，防止煤柱失稳诱发冲击地压事故，尤其在工作面刚推至煤柱时，应进行重点监测。【参考文献】1 曹代勇，占文锋，李焕同，等.中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分J.煤炭学报，2020，45（07）：2376-2388.2 郜建明，司瑞江，王晓振.深部开采工作面矿压规律及支架阻力优化 J.矿业工程研究，2022，37（03）：26-30.3 张广超，何富连，来永辉，等.高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度与控制技术 J.煤炭学报，2016，41（09）：2188-21944 顾士坦，魏宝贞，蒋邦友，等.双侧采空不规则煤柱稳定性分析 J.煤矿安全，2020，51（03）：216-220.5 屠世浩，王方田，窦凤金，等.上层煤柱下综放沿空回采巷道矿压规律研究 J中国矿业大学学报，2010，39（01）：1-5