孤岛工作面近断层开采保护煤柱合理宽度留设

孤岛工作面近断层开采保护煤柱合理宽度留设
刘怀喜 张 琦
（新巨龙能源有限责任公司，山东 巨野 274918）
摘 要
综合运用数值模拟、理论分析及现场实测等手段，研究了孤岛工作面近断层开采时保护煤柱采动应力分布规律。

结果表明：保护煤柱宽度为35m 时，采动峰值应力均向近工作面处移动；煤柱留设45m 时为临界宽度，采动应力出现跳跃式增长，大于临界宽度时采动应力增幅较小。

关键词
孤岛工作面 断层 保护煤柱 合理宽度 采动应力
中图分类号 TD822+.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2020.02.058
Reasonable Width Setting of Protective Coal Pillar for the Near-fault Mining of Isolated
Working Face Liu Huai-xi Zhang Qi
(Xinjulong Energy Co., Ltd., Shandong Juye 274918)
Abstract : The distribution law of the mining stress of protective pillar was studied by means of numerical simulation, theoretical analysis and field measurement. The results show that when the width of protective pillar is 35m, the peak stress of mining moves towards the working face; when the pillar is set at 45m, the critical width of mining stress increases by leaps and bounds; when the width of protective pillar is larger than the critical width, the increase of mining stress is smaller.
Key words : isolated working face fault protective coal pillar reasonable width mining stress
收稿日期 2019-09-08作者简介 刘怀喜（1986-），男，汉族，山东菏泽鄄城县人，助理工程师，2012年毕业于山东科技大学采矿工程专业，工程学士，现在山东新巨龙能源有限责任公司工作，从事冲击地压防治技术管理与研究工作。

孤岛工作面近断层开采时，断层保护煤柱在孤岛工作面采动应力和断层构造应力叠加作用下积聚大量弹性能，断层活化错动易诱发冲击地压灾害，严重威胁着工作面的安全生产，而合理宽度的断层保护煤柱可以降低此类灾害发生的概率，因此研究孤岛工作面断层保护煤柱的合理留设宽度是十分必要的。

目前对于孤岛工作面开采和近断层开采应力分布规律的研究成果已较为完善，但孤岛工作面近断层开采时，保护煤柱应力分布更为复杂，不同方向的支承压力叠加，煤柱积聚大量弹性能，易造成片帮、冲击地压等事故，此类研究却相对较少。

本文以新巨龙煤矿近断层孤岛工作面开采问题为工程背景，利用数值模拟软件对断层保护煤柱采动应力分布规律进行研究，确定了保护煤柱的合理留设宽度，
为近断层孤岛工作面开采保护煤柱合理宽度的留设提供了科学指导，具有一定的工程实践意义。

1 工作面概况
8301工作面主采3下煤层，开采深度917.8m ，开采范围内煤层结构简单，倾角平均6 °，平均厚度2.3m 。

8301工作面周围存在8302工作面和8303工作面采空区，正上方为2306S 工作面采空区。

8301工作面与8303工作面间赋存郓16断层，落差0~78m ，倾角平均70 °。

工作面具体布置情况如图1所示。

图1 8301工作面布置图
2 断层对孤岛工作面开采影响的数值模拟研究2.1 数值模型
根据工作面实际工程地质条件简化并建立FLAC 3D 数值模型，模型尺寸为500m ×500m ×150m ，共75 000个单元，80 631 个节点。

数值模型采用Mohr-Coulomb 本构模型，对四周边界约束水平位移，下部边界约束垂直位移。

数值模型计算时，首先开挖2306S 工作面，随后开挖8303工作面，然后开挖8302工作面。

为研究断层对煤柱应力分布的影响和断层保护煤柱的合理留设宽度，首先在留设35m 煤柱的情况下开挖工作面，对比煤柱承受应力情况。

随后研究断层保护煤柱宽度为35m 、45m 和55m 时煤柱采动应力分布规律。

2.2 结果分析
模拟获得了有无断层时采动应力的分布情况如图2所示。

无断层时煤柱承受水平及垂直峰值应力分别为4.84MPa 、15.3MPa ，有断层时煤柱承受水平及垂直峰值应力分别为7.82MPa 、22.7MPa 。

断层存在时，在采动影响下煤柱水平及垂直峰值应力分别上升了61.6%、48.4%，峰值应力位置均呈现煤柱向工作面巷道边缘迁移的规律。

无断层情况下，煤柱处采动应力曲线呈“马鞍形”，而断层赋存下呈“突刺形”，煤柱近巷道处应力最为集中。

这是由于断层将煤体分离成两部分，造成了8301工作面处的断层保护煤柱应力集中所致。

可见，断层对煤柱应力分布有明显影响，这是因为断层带附近水平构造应力较大，煤岩体处于高应力状态，聚积了大量能量，并且西侧8302工作面已回采形成采空区，应力易集中。

断层与工作面中间位置为应力叠加高峰区，此区域容易积聚较大能量。

当到达断层影响区域后，断层构造应力与工作面采动应力叠加，使断层附近煤柱的采动应力增高。

3 孤岛工作面近断层开采保护煤柱设计
为研究工作面煤柱垂直应力分布规律，获得了水平应力及垂直应力的分布情况如图3所示。

对比发现，随断层保护煤柱宽度的增大，其承受的采动应力均减小，三种留设宽度水平峰值应力依次为7.81MPa 、5.63MPa 、4.51MPa ，垂直峰值应力依次为22.7MPa 、13.79MPa 、13.43MPa 。

由模拟结果可以看出，保护煤柱宽度为35m 、45m 时，较之55m 方案水平向应力峰值分别增加了73.2%、24.8%，垂直应力峰值分别增加了69.0%、2.7%。

当断层保护煤柱宽度小于45m 时，其采动应力峰值均出现跳跃
式增长，当保护煤柱宽度在45m 以上时，水平及垂直应力增幅均较小，可认为45m 为采动应力发生质变的临界值。

不同保护煤柱宽度，垂直应力峰值均位于煤柱中央处，而水平应力随煤柱宽度的增大由
工作面巷道边缘向煤柱中央迁移。

（a ）水平应力变化曲线
（b ）垂直应力变化曲线
图2 断层对应力分布的影响
随着8301工作面的开采，孤岛保护煤柱逐渐成为覆岩的主要承载体。

由于受到倾斜断层的切割作用，下盘保护煤柱受压破坏由弹性变形转变为塑性变形，成为屈服煤柱，而覆岩载荷主要由上盘煤柱承载。

断层赋存条件下，岩层内积聚了大量的变形能，工作面的开采使得上覆岩层的压力大部分作用于断层保护煤柱之上。

同时，由于煤体宽度大幅度减小，采空区侧向支承压力在断层保护煤柱上叠加，断层的存在使得工作面近断层侧处于高应力状态。

由于8301工作面与8303工作面采空区相邻，采空区侧向支承压力作用在8301工作面煤体上，造成能量聚积。

同时，由于8301工作面位于3上煤层2306S 工作面下方，工作面前方顺槽处于上下煤层超前支承压力叠加影响，巷道围岩应力集中程度加剧。

当断层保护煤柱为45m 时，煤柱所受水平与垂直应力均相对较小，且水平应力峰值处距巷道较远，有利于工作面支护和维护。

同时，8301与8303工作面间煤柱承载应力也较小，由此确定断层保护煤柱宽度为45m ，这样既能通过留设合理的煤柱宽度来防止冲击地压灾害的发生，又能充分回收煤炭资源。

（a ）水平应力变化曲线
（b ）垂直应力变化曲线
图3 模型工作面倾向方向应力分布
4 工程应用
根据数值模拟结果并结合现场工程地质条件，设计8301孤岛工作面断层保护煤柱宽度为45m 。

工作面回采过程中对巷道变形量及煤柱垂直应力进行现场监测，监测结果如图4所示。

工作面回采过程中，断层保护煤柱所受垂直应力最大值为15MPa ，平均13MPa ；巷道变形量最大值为172mm ，平均值为144mm 。

现场实测表明，工作面回采过程中煤柱垂直应力与数值模拟结果相符，整个工作面回采过程中未出现巷道片帮严重和顶底板事故，保证了安全开采，回收了6.8万t 煤炭资源，取得了明显的经济效益。

5 结论
（1）对比研究了煤柱留设宽度为35m 时，有无断层情况下煤柱上的应力分布规律。

无断层时煤柱所受水平及垂直峰值应力分别为4.84MPa 、15.3MPa ，有断层时煤柱所受水平及垂直应力分别为7.82MPa 、22.7MPa 。

断层存在时，煤柱水平应力增大了61.6%，垂直应力增大了48.4%，采动峰值应力均向近工作面处移动。

（2）得到了断层保护煤柱不同宽度时采动应力的变化规律。

断层保护煤柱留设宽度为35m 、45m 、55m 时，煤柱所受水平应力分别为7.81MPa 、5.63MPa 、4.51MPa ，垂直应力分别为22.7MPa 、
13.79MPa 、13.43MPa 。

不同保护煤柱宽度，垂直应力峰值均位于煤柱中央处，而水平应力随煤柱宽度的增大由工作面巷道边缘向煤柱中央迁移。

当小于45m 临界煤柱宽度时，采动应力出现跳跃式增长，大于此宽度时增幅较小，由此选定45m 的断层保护煤柱宽度为合理留设宽度。

（a ）
垂直方向应力监测
（b ）巷道变形量监测
图4 监测结果
（3）确定断层保护煤柱宽度为45m 后，现场监测结果表明，断层保护煤柱所受垂直应力平均为13MPa ，巷道变形值平均为144mm 。

煤柱垂直应力分布规律与数值模拟相符，回收煤炭资源约6.8万t ，工作面回采过程中未出现顶底板事故，实现了孤岛工作面近断层开采条件的安全生产。

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