大埋深条件下孤岛超高水充填工作面煤柱留设研究

大埋深条件下孤岛超高水充填工作面煤柱留设研究

欧阳广臣1,陈祥2 ,来敬波3

1.山东济宁运河煤矿有限责任公司 山东济宁 272000

摘要：为保证矿井的可持续发展，解决村庄压煤问题，最大可能回收煤炭资源，利用超高水充填法开采村庄下条带煤柱。本文以C8301孤岛充填工作面为例研究了充填体-煤柱内外应力与变形特征,分析了充填体-围岩相互作用机制，确定了合适的保护煤柱宽度，确保超高水材料充填开采的安全和满足冲击地压安全需要。对整个运河煤矿和类似开采条件下矿井安全开采有着指导和借鉴意义。

关键词：冲击地压; 超高水充填; 煤柱; 侧向压力; 矿压显现

Study on coal pillar setting of isolated island ultra-high water filling face under large buried depth

Ouyang Guangchen 1, Chen Xiang 1, Lai Jingbo 1

1.Yunhe Coal Mine of Jining Mining Group Co., Ltd., Jining, Shandong, 370800.

Abstract: In order to ensure the sustainable development of the mine, solve the problem of village coal pressure, and recover the coal resources as much as possible, the ultra-high water filling method is used to mine the strip coal pillar under the village. Taking C8301 island filling face as an example, this paper studies the characteristics of the internal and external stress and deformation of the filling body coal pillar, analyzes the interaction mechanism of the filling body surrounding rock, determines the appropriate width of the protective coal pillar, ensures the safety of ultra-high water material filling mining and meets the safety needs of rock burst. It has guiding and reference significance for the whole Yunhe coal mine and the mine safety mining under similar mining conditions.

Key words: Rockburst; Ultra high water; Filling coal pillar; Lateral pressure; Strata behavior

0引  言

充填开采是从源头防止地表沉陷，实现以最小的生态扰动获取煤炭资源，把对生态环境、水土资源和基础设施等影响限制在生态环境对开采行为容忍度可控范围之内的有效方法，促进煤炭开采和生态环境协调、共融发展[1-2]。目前，我国煤矿应用的充填开采方法与技术主要有固体工作面充填开采、固体巷道充填、膏体工作面充填开采、覆岩离层注浆充填开采和高水材料充填开采等几种方法[4]。对于深部孤岛充填工作面防冲目前存在的较多的问题，如深部孤岛充填工作面煤柱宽度合理性设计、深部孤岛充填工作面机理及矿压显现规律及深部孤岛充填工作面覆岩运动规律等[5-6]。

本项目主要研究C8301工作面防冲技术，对该工作面的安全高效开采有着重要意义与价值[7]。另一方面，对整个运河煤矿五八采区大量存在的相似条带开采有着指导和借鉴意义，对回收整个运河煤矿的煤炭资源有着重要价值，大幅提高了运河煤矿的经济效益，延长矿井使用寿命。同时这一经验还可以推广到山东矿区各大煤矿，有着良好的社会效益，对我国整体防冲体系进步做出一定的贡献。

1 C8301工作面简介

C8301充填工作面为第一个充填试验工作面，工作面位于运河煤矿-725 m水平八采区南部，东临8308综采工作面采空区保护煤柱，西临8307综采工作面采空区保护煤柱，北到-725 m水平东翼轨道巷保护煤柱，南临T5-4断层。该工作面位于工业广场保护煤柱东南部，地表主要为耕地，地面标高+37.48～+38.41 m，工作面西部有翟家村、北陈庄，南部有矿井供电运河Ⅰ线。C8301充填工作面面长为94.4 m，轨道顺槽长498.8 m（平距），皮带顺槽长552.2 m（平距）。工作面标高为-680～-780 m，平均为-740 m 。C8301充填工作面东、西相临8308、8307工作面保护煤柱，煤柱留设宽度为8 m，煤柱区内地质构造较简单。C8301工作面平面布置如图。

图1  C8301充填工作面布置平面图

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2  深部孤岛充填工作面煤柱宽度设计

护巷煤柱宽度对巷道围岩稳定性的影响主要包括两个方面，一方面护巷煤柱的宽度影响巷道围岩应力，另一方面护巷煤柱的宽度影响巷道围岩结构的完整性。因此合理的确定护巷煤柱的留设宽度直接影响巷道围岩的稳定性。

2.1 煤柱内应力分布规律

工作面煤体支承压力集中最大值和位置主要取决于采深、工作面宽度、煤层高度以及煤岩体物理性质等因素。由于孤岛工作面两侧煤体边缘临采空区，抗压强度较低并且边缘部分煤体遭到破坏，这使得支承压力向煤体深部转移，并形成支承压力集中。工作面两侧一定范围形成塑性区，在塑性区内侧为弹性区。根据煤岩体极限平衡理论，煤体处于极限平衡状态时，最大支承压力峰值发生在弹塑性交界处，如图2所示。图中I区为支承压力上升区，Ⅱ区为支承压力峰值区，Ⅲ为支承压力影响区。如果把巷道布置在1位置，巷道极难维护，加上煤体破碎会造成采空区漏风，可能引起煤层自燃；如果把巷道掘在2位置，由于此位置处于应力集中峰值区域，巷道维护较困难并且巷道变形比较严重；把巷道掘在3位置，在此位置煤体支承压力不是很大，巷道变形不大以及巷道的维护也比较容易，但是在此位置掘巷留设的煤柱较大，影响煤炭资源回收。

图2 孤岛工作面媒体支撑压力分布示意图

为能更多回收煤炭以及从安全和巷道维护方面考虑，巷道掘进在压力峰值位置与煤体破碎区之间较为合适。根据相关文献可知，在压力峰值位置是煤体塑性区和弹性区分界位置，只要能够确定煤体塑性区宽度，就能够较准确定出护巷煤柱宽度。

运用岩体的极限平衡理论，可得到塑性区内任意处的垂直应力，应力降低区的宽度，以及塑性区宽度，即支承压力峰值与煤柱边缘之间X0的距离的方程式为：

式中：K为应力增高系数；一般为2.5~3，此处取为3

      M为煤层开采厚度；此处取为3

      为侧压系数；此处取为0.25

      为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；0.6

      为上覆岩层平均体积力，KN/m3；此处取25kN/m3                                                                                                                                  

       H为巷道埋深，m；

       C为煤体的黏聚力；此处取0.28MPa

      为煤体的内摩擦角；此处取30°

        P1为支架对煤帮的阻力；此处取0

        为三轴应力系数，

2.2 煤柱保持稳定性的条件

由于在巷道开挖后也会形成自己的塑性区，因此，采动后，护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央仍处于弹性应力状态，即：在煤柱中央保持一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤柱高度（煤柱开采厚度M）的1~2倍。故煤柱保持稳定状态的宽度B为：

B=X0+(1~2)M+X1                               （2）

X1为采准巷道在护巷煤柱侧形成的塑形变形区的宽度。

                                                           （3）

式中：p为原岩应力；p=

      Pi为支护阻力；此处取1400KN

      为巷道半径。这里取2m

保持稳定状态的煤柱应力分布和塑性变形区如图3所示。这种煤柱在塑性变形区形成后，随着采空影响的减弱，支承压力的降低，煤柱周围和巷道围岩的变形就会趋向稳定。

图3 煤柱的弹塑性应力区及应力

2.3 充填开采工作面保护煤柱的确定

由于8307和8308工作面两工作面回采早已结束，则采空区与煤柱间已经稳定。根据式1，分别算出8307和8308工作面对孤岛煤柱的影响。

8307支承压力峰值与煤柱边缘之间X0=3.6m

8308支承压力峰值与煤柱边缘之间X0=3.6m

由于巷道对孤岛煤柱的影响，巷道采用锚梁网支护体系，根据经验巷道塑形区X1=1m，取1m

由式2-2知，B=X0+(1~2)M+X1=3.6+1×3+1=7.6m

可得孤岛煤柱回收开采时，其与采空区留设的保护煤柱宽度B=7.6m，才能保证煤柱的稳定性。综合以上分析和计算，基于更大的安全系数考虑，确定C8301超高水材料充填开采保护煤柱的宽度为8m。

3  8m煤柱下回采期间侧向压力演化

（a）应力峰值变化规律

（b）应力峰值到煤壁距离变化规律

图4  C8301工作面2020年8月~2020年10月应力峰值变化

由图4（a）可知，C8301工作面8月~10月浅孔应力峰值普遍要高于深孔，表明两采空区侧向应力峰值到两顺槽煤壁距离约10 m以内。其中运输浅孔应力峰值相对稳定在6~8 MPa以内。而轨顺浅孔应力峰值自9月23日~10月4日开始明显增加，相应该段时间的工作面推进度为70~90 m。接近工作面单面见方，来压强度增加导致浅孔应力峰值升高。同时由图4（b）可知，该段时间应力峰值明显向煤壁转移，表明来压强度增加导致超前应力峰值急剧上升。

（a）应力峰值变化规律

（b）应力峰值到煤壁距离变化规律

图5  C8301工作面2020年10月~2020年12月应力峰值变化

由图5（a）可知，11月19日~22日运输浅孔应力峰值急剧增长，并在22日达到最大值8.2 MPa，此工作面推进两顺槽至170 m，与C8307工作面接近双面见方，来压强度增加导致煤壁区域应力峰值明显增加。

图6  C8301工作面2020年12月~2021年2月应力峰值变化

由图6（a）可知，2020年12月到2021年2月期间轨顺深孔应力峰值达到最大，相应工作面推进度为205 m到297 m，表明该区域段轨顺侧向应力峰值向深处转移。同时12月15日应力峰值达到最高值10 MPa，距煤壁15 m，可能是应力计未及时回撤受支承压力作用。2021年1月10日~20日期间，工作面推进至与8308工作面双面见方区域，轨顺应力值明显达到较高值。受见方来压明显。

（a）应力峰值变化规律

（b）应力峰值到煤壁距离变化规律

图7  C8301工作面2021年2月~2021年4月应力峰值变化

（a）应力峰值变化规律

（b）应力峰值到煤壁距离变化规律

图8  C8301工作面2021年4月~2021年5月应力峰值变化

由图7（a）可知，2021年2月11日~3月24日期间应力峰值相对较低，维持在6.5~8 MPa。3月24~4月10日，工作面推进至350~380 m，接近C8308采空区边缘，应力峰值明显增加至7~9 MPa。结合图8（a）综合分析，受C8308采空区边缘影响，4月11日~5月9日应力峰值一直维持在相对较高水平。5月9日后轨顺深孔应力峰值跌落至6MPa作用。

由上分析可知，受8m煤柱影响，工作面不同回采期基本上浅孔应力峰值普遍要高于深孔，表明两采空区侧向应力峰值到两顺槽煤壁距离约10 m以内。

5 结论

C83011深部开采充填工作面回采期间，巷道矿压显现在可控范围内。该煤柱留设成果经验，在一定程度上解决了大埋深条件下孤岛超高水充填工作面开采难题，有效降低冲击地压发生的风险，符合当前山东省冲击地压矿井防冲需要，同时也符合目前国家对防冲工作的要求。有利于在类似条件下的冲击地压矿井进行推广应用。

参考文献：

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