工作面停采外侧不规则煤柱宽度优化分析.pdf

722023 年第 8 期工作面停采外侧不规则煤柱宽度优化分析万广绪1 于秀慧2 李 瑶2（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）摘 要 工作面停采位置的合理确定，能够保障煤柱及附近巷道的安全稳定，提高煤炭资源的回收率。以鄂托克前旗长城三号矿工作面缩面设计停采线位置与不规则煤柱为研究对象，利用 FLAC3D数值模拟开展应力演化及影响分析。结果表明：工作面停采煤柱内应力集中程度先增大后减小，在煤柱宽度20 m应力集中程度最大，基于工作面开采安全与提高煤炭回采率两方面，建议停采煤柱合理宽度为 40 m。关键词 采煤；停采；煤柱；宽度中图分类号 TD822+.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.024Optimization Analysis of the Width of Irregular Coal Pillars on the Outer Side of the Stop Mining Working FaceWan Guangxu1 Yu Xiuhui2 Li Yao2(1.Otog Front Banner Changcheng No.3 Mining Industry Co.,Ltd.,Inner Mongolia Ordos 016299;2.College of Resources,Shandong University of Science and Technology,Shandong Taian 271019)Abstract:The reasonable determination of the stop mining position of the working face can ensure the safety and stability of the coal pillar and nearby roadways,and improve the recovery rate of coal resources.Taking the designed stop mining line position and irregular coal pillars of the working face of Changcheng No.3 Coal Mine in Otog Front Banner as the research object,the stress evolution and influence analysis are carried out by using FLAC3D numerical simulation.The results indicate that the degree of stress concentration inside the coal pillar at the stop mining working face first increases and then decreases,with the maximum stress concentration at a width of 20 m.Based on two aspects of mining safety and improving coal recovery rate in the working face,it is recommended to have a reasonable width of 40 m for the stop mining coal pillar.Key words:coal mining;stop mining;coal pillar;width收稿日期 2023-01-05作者简介 万广绪（1991），男，山东新泰人，2012 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，本科，工程师，现就职于内蒙古鄂托克前旗长城三号矿业有限公司调度指挥中心，主要从事煤矿安全生产管理工作。万广绪等：工作面停采外侧不规则煤柱宽度优化分析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。732023 年第 8 期万广绪等：工作面停采外侧不规则煤柱宽度优化分析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80150 m（其中，辅顺联络巷段宽度为3.580 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=23。其顶底板特征见表 1。表 1 顶底板岩性特征表名称岩石名称厚度/m岩性特征基本顶细砂岩及中砂岩18.95中砂岩：以石英为主，f=810；细砂岩：层理发育，f=68直接顶/伪顶/3 煤层/6.20黑色，玻璃光泽，以暗煤为主直接底泥岩1.92局部砂质裂隙较发育，f=24基本底细砂岩8.20浅灰色，厚层状长石石英砂岩，f=682 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。（a）53下16 工作面示意图 （b）50 m 煤柱 （c）40 m 煤柱 （d）30 m 煤柱 （e）20 m 煤柱 （f）10 m 煤柱图 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，742023 年第 8 期围岩表面不平整，已发生破碎情形时，可根据围岩表面破坏程度选择78 mm或者10 mm的喷涂厚度。3）采用薄层喷涂快速封闭加固技术能够有效防止巷道顶板及两帮泥岩风化、破碎，控制巷道围岩变形，保证围岩整体完整性，避免巷道围岩变形破坏后进行二次维修甚至多次巷修。该技术为类似情况下的应用提供了借鉴案例，适合推广应用。【参考文献】1 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制 M.徐州：（上接第 71 页）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。【参考文献】1 崔佐军.东古城煤矿煤柱留设宽度的实验研究 J.能源技术与管理，2021，46（02）：93-94+171.2 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