基于超前支承压力演化的综采放顶煤工作面留煤柱开采煤柱宽度优化

《Scientific Reports》：Optimization of stopping mining coal pillar width for fully mechanized top-coal caving face based on advance abutment pressure evolution

　　

摘要

留设采空区煤柱的宽度对采空区推进后主运输巷道的长期稳定性具有关键影响。在戈河煤矿，主巷道发生严重收敛变形和顶板冒落，频繁危及生产安全。针对这一问题，我们在W3303综采放顶煤工作面部署了地应力和位移监测站，结合极限平衡理论与FLAC³D数值模拟，确定了最优煤柱宽度。现场监测表明，超前支承压力的强扰动区向前方煤壁前方延伸80 m，应力峰值出现在煤壁前方13–18 m处。基于极限平衡区域与周期来压步距的理论计算结果，煤柱宽度为68.9–75.3 m。数值模拟结果显示，随着工作面向前推进，支承压力峰值不断增大并向煤体深部转移，上覆岩层发生渐进式向上塑性破坏。当煤柱宽度小于80 m时，巷道变形和应力集中急剧上升，从而确定80 m为临界稳定阈值。对西北回风巷进行为期一年的工业试验，该巷道由80 m煤柱保护，结果表明巷道收敛量保持在安全范围内，锚杆锚索支护系统的载荷始终未超过其承载能力。现场、理论与数值模拟的综合结果证明，80 m煤柱能有效隔离采矿诱发的应力，确保主巷道的长期稳定性，并在安全性与煤炭回收率之间实现平衡。