長壁間歇式開采區(qū)煤柱應力監(jiān)測方法與穩(wěn)定性分析*

王振華，白如鴻，楊文清

(1.榆林市楊伙盤煤礦，陜西神木719316;2.陜西南梁礦業(yè)有限公司，陜西 神木719316)

0 引言

神府礦區(qū)淺埋煤層礦山壓力顯現(xiàn)劇烈［1－3］，工作面支護阻力大。對于該區(qū)的地方小礦，無論是采用傳統(tǒng)的房柱式開采方法［4－5］，還是采5米留5米的長壁煤柱支撐開采方法，不僅煤炭的采出率很低，還具有頂板大面積陷落等災變危險，嚴重威脅礦井安全生產與從業(yè)人員安全。為此，一些地方小型煤礦曾改用單體支柱長壁式采煤方法，但因單體支柱支護強度不夠，在頂板來壓時不能有效的控制頂板，工作面出現(xiàn)臺階切落，支柱被“壓死”，單體支柱長壁采煤方法不得不很快“下馬”。

楊伙盤煤礦原設計為0.3 Mt/a的中型煤礦，設計采煤方法為高檔普采，1995年開工建設，由于資金不足等原因，1998年投產時只移交了一個30101長壁炮采工作面。在30101工作面推采了40 m，初次來壓之前暫停推采，總結了原哈拉溝煤礦等周邊類似工作面失敗的教訓，在調研和分析了類似地質條件長壁工作面初次來壓步距的基礎上，楊伙盤煤礦提出并實踐了“長壁間歇式”開采方法，即工作面長壁布置間隔推進，也就是工作面每推進一定長度，根據需要留一定寬度的煤柱［6］，在工作面來壓之前，工作面整體搬家到新開切眼再繼續(xù)推進，從而避開初次來壓。1998年，通過30101工作面采用采50 m留10 m煤柱的區(qū)段性生產實踐，工作面推采了240 m(4個區(qū)段)未發(fā)生任何安全問題，該采煤方法取得了初步成功。2005年楊伙盤煤礦恢復生產后及在毗鄰的南梁煤礦的應用，進一步明確了工作面推進的合理長度(50 m)、留設煤柱的合理寬度(6～15 m)。同時與西安科技大學合作，采用數值模擬、相似模擬、現(xiàn)場礦壓觀測等方法，系統(tǒng)研究了長壁間歇式開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［7－9］。該方法既不同于房柱式開采方法又不同于長壁開采方法，因工作面不是連續(xù)推進，稱為“間歇式”采煤方法，不僅采出率比其他中小煤礦高，而且煤礦安全狀況得到根本好轉。楊伙盤煤礦從2006年以來連續(xù)技改，2012年達到了2.40 Mt/a規(guī)模，2014年核定生產能力為4.0 Mt/a.

為了合理留設間歇式采煤的煤柱，在確保煤礦安全的條件下，提高資源回采率，必須對煤柱的應力進行監(jiān)測，研究煤柱應力分布狀態(tài)，確定了最小煤柱尺寸。文中研究了煤柱應力監(jiān)測方法，探討了監(jiān)測結果在煤柱穩(wěn)定性分析中的應用。

1 臨時煤柱和隔離煤柱應力監(jiān)測

1.1 臨時煤柱與隔離煤柱的作用與設計

長壁間歇式開采方法防止頂板大面積垮落就要實現(xiàn)小面積無災害垮落，小面積無災害垮落就是將頂板垮落限定在不造成災害的較小范圍內。而實現(xiàn)小面積無災害垮落的關鍵技術是在采空區(qū)內留設2種不同煤柱，即臨時煤柱和隔離煤柱，如圖1所示。

圖1 間隔開采方法隔離煤柱與每2條臨時煤柱相間布置Fig.1 Alternate layout of interval coal pillar and every two temporary pillar when mining at intermission

臨時煤柱的作用有二個，一是1，2和3號開采段開采時保證頂板不發(fā)生初次垮落;二是4號開采段之后開采時保證1，2和3號開采段的頂板垮落，因此從設計角度講，臨時煤柱比屈服煤柱要求更高。

隔離煤柱承載能力始終大于頂板所施加的集中載荷，其作用是在1，2和3號開采段頂板垮落時保證垮落只限定在1，2和3號開采段內，不影響正在開采的工作面，這就是小面積無災害垮落的概念。為了確保煤柱穩(wěn)定性，監(jiān)測了煤柱的應力分布，為合理留設煤柱尺寸提供了技術參數。

能否實現(xiàn)小面積的無災害垮落關鍵是確定合理的煤柱尺寸，特別是隔離煤柱尺寸。為此目的專門進行了隔離煤柱應力監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測的目的和任務

1.2.1 監(jiān)測的主要目的

1 )觀測分析頂板下沉量及頂板下沉速度，監(jiān)測已經形成的采空區(qū)動態(tài)變化;

2 )監(jiān)測煤柱受力的變化，反饋煤柱的變形和破壞特征;

3 )通過監(jiān)測對礦井的頂板災害進行預測預警，采取合理的措施預防和減小災害的危害程度。

1.2.2 監(jiān)測的主要內容

1 )采空區(qū)頂板的下沉量和下沉速度與附近開采工作面推進距離和推進速度關系;

2 )采空區(qū)頂板下沉以及頂板的下沉速度與時間的關系;

3 )煤柱受力狀態(tài)與時間的關系，特別臨時煤柱蠕變特征;

4 )分析采空區(qū)頂板的動態(tài)變化規(guī)律，分析煤柱的變形破壞規(guī)律;

5 )監(jiān)測選擇20111工作面。

1.3 監(jiān)測工作面煤層賦存特征

20111工作面覆蓋層厚度平均為125 m，其中基巖厚度最大49 m，最薄36 m，平均厚度46 m;煤層覆蓋層厚度直接影響煤柱上的載荷，根據覆蓋層條件，20111可分別代表南梁礦區(qū)典型的厚覆蓋層和薄覆蓋層條件。

與20111工作面相鄰的20109，20113工作面已采完。工作面附件有 N2，N3，N10，N12，P19等 5 個鉆孔。20111工作面位置如圖2所示。

圖2 南梁煤礦20111工作面位置Fig.2 2011 working face location of Nanliang coal mine

1.4 20111工作面開采技術條件

20111間隔長壁工作面對拉布置，工作面順槽間護巷(區(qū)段隔離)煤柱實際寬17 m，工作面長度160 m，推進長度1 800 m，采高2.05 m，爆破落煤，采用全部垮落法管理頂板。工作面選用DZ25型單體液壓支柱，HDJA－1000金屬鉸接頂梁;排距1.0 m，柱距0.6 m;人工分段分組回頂，見四回一，三、四排控頂，最大控頂距為4.2 m，最小控頂距為3.2 m;循環(huán)進度 1.0 m，每日3 循環(huán)。

2 應力監(jiān)測的測站布置

2.1 測站位置

雖然設計間隔工作面推進50 m留設臨時煤柱或隔離煤柱，但實際上留設煤柱尺寸與設計有一定差異，如20113工作面煤柱最大寬度24.6 m，最小為6.9 m;20109工作面煤柱最大寬度14.8 m，最小為6.4 m.

2.1.1 區(qū)段隔離煤柱測站位置

在20113和20111工作面間區(qū)段隔離(護巷)煤柱17 m.

由于20111工作面兩側分別為20113和20109工作面的采空區(qū)，為了使監(jiān)測站盡量利用原有的巷道，因此將測站布置在20111工作面與20113工作面間的聯(lián)絡巷中。此外各工作面都有施工巷，以進風大巷一側為始點，各施工巷具體位置為

第1條施工巷距離進風大巷邊界煤柱283.7 m;

第2條施工巷距離第1條施工巷179.9 m，距停采線 463.6 m;

第3條施工巷距離第2條施工巷184.3 m;距停采線 647.9 m;

第4條施工巷距離第3條施工巷183.7 m;距停采線 831.6 m;

第5條施工巷距離第4條施工巷120.7 m;距停采線 952.3 m;

第6條施工巷距離第5條施工巷298.5 m;距停采線1250.8 m.

在20113工作面采空區(qū)與20111工作面間隔離煤柱設計3個測站，根據各施工巷位置，將測站盡量設置在工作面走向長度的中部，從進風大巷一側開始，3個測站13－2，13－3和13－4分別設置在第2，3，4條施工巷中。

13－2，13－3，13－4測站距停采線距離分別為 463.6，647.9 和831.6 m，監(jiān)測區(qū)覆蓋層厚度為70～135 m，基巖厚度36～49 m，基本上代表了南梁煤礦厚覆蓋層和薄覆蓋層條件。

2.1.2 工作面煤柱測站位置

工作面采用隔離和臨時煤柱相間布置方案后，實現(xiàn)小面積無災害垮落關鍵是臨時煤柱能否達到設計的目的。監(jiān)測點將以臨時煤柱為中心布置，工作面開采時，首先選擇第 1，2，3，4，5，6 開采段運輸順槽附近的臨時煤柱和其間的隔離煤柱為監(jiān)測區(qū);之后在工作面推進到中部時，以同樣的方式選擇相應臨時煤柱和其間的隔離煤柱為監(jiān)測區(qū)。以20111工作面為例，分別在運輸順槽附近的臨時煤柱各布置2個測站:LS1，LS2，LS3和 LS4，在隔離煤柱布置2個測站:GL1，GL2(圖3)。

圖3 隔離和臨時煤柱測站位置Fig.3 Monition location of interval and temporary coal pillar

2.2 測站布置

每個測站布置一臺頂板位移傳感器和一臺頂板壓力傳感器。以區(qū)段煤柱為例，沿著測點布置的聯(lián)絡巷做剖面圖，可以得到測點在巷道里面的具體布置，測點距離20111進風巷5 m，底板1 m，深入煤柱2 m.其布置如圖4所示。

圖4 測點剖面布置圖(單位:m)Fig.4 Measuring point profile layout(unit:m)

3 應力監(jiān)測結果及分析

第一階段監(jiān)測區(qū)段隔離煤柱，第二階段監(jiān)測工作面臨時煤柱和隔離煤柱，目前只進行了第一階段區(qū)段隔離煤柱的監(jiān)測。

由于工作面長度為160 m，即區(qū)段隔離煤柱間距為160 m，而按工作面中隔離煤柱與2條臨時煤柱相間布置方案，間隔開采工作面2相鄰隔離煤柱間距為162 m，兩者間距相當，區(qū)段隔離煤柱實際寬17 m，工作面隔離煤柱設計寬15 m，兩者尺寸也相當，因此第一階段區(qū)段隔離煤柱的監(jiān)測結果也能說明工作面隔離煤柱的穩(wěn)定性。隔離煤柱測點觀測從3月21日開采，此時工作面距離停采線1 383 m，到9月1日本次采集數據時，工作面推進到距離停采線865 m處，工作面總共推進了518 m.

3.1 13－4測站應力

圖5是13－4測站應力與工作面推進時間之間的關系，從圖中可以看出，當工作面開采后，其應力開始緩慢增加，到5月21號時，其應力增加幅度較大，但應力變化值較小，直到6月11號時，應力變化突然增加，在6月19號達到最大值，但也僅為4.8 MPa.工作面推過后，7月5號應力緩慢降低。

圖5 13－4測站應力變化與時間的關系Fig.5 Relationship of stress change and time in observation station

圖6是13－4測站應力與工作面推進距離的關系，從圖中可以看出，壓力傳感器安設時預應力為0.3 MPa，之后應力隨著工作面的推進緩慢增大。測站距工作面150 m時，應力達到了最大值4.8 MPa;之后緩慢下降，一直到本次采集數據時，測站到工作面后方近100 m時應力為2.5 MPa左右。

圖6 13－4測站應力與工作面距離關系Fig.6 Relationship of stress change and working face distance in observation station

3.2 13－3測站應力

圖7為測站13－3應力與工作面距離的關系，從圖中可以看出，應力基本上維持在4 MPa左右。到本次采集數據時，工作面尚距13－3測站約30 m，因為工作面未推過13－3測站，應力曲線尚不具備使用價值。13－2測站距工作面更遠，無使用價值，這里不再論述。

圖7 13－3測站應力與工作面距離關系Fig.7 Relationship of stress change and working face distance in observation station

3.3 隔離煤柱穩(wěn)定性分析

隔離煤柱安全性是保證頂板穩(wěn)定的重要參數［10－11］，只有13－4測站采集的數據反映了測站在工作面前與后時煤柱應力變化，故以此測站分析隔離煤柱穩(wěn)定性。由于測站應力僅反映煤柱在工作面推進過程中的應力變化，也就是說，當13－4測站距工作面150 m時，此處的煤柱應力比原來增大了4.5 MPa，當13－4測站到工作面后方近100 m時，煤柱應力比原來增大了2.2 MPa，根據一般礦壓理論，工作面繼續(xù)推進，工作面后方煤柱應力增大值不會有大的變化。

根據圖5和6，13－4測站覆蓋層厚度115 m，其中基巖厚度41 m，土層74 m，計算的原巖應力為3.1 MPa.因為13－4測站距20113采空區(qū)12 m，設20113工作面開采時對13－4測站處煤柱影響與20111工作面相同(實際上一側開采時影響小)，即同樣應力增大了4.5 MPa，之后又下降到2.2 MPa，則20113工作面開采后13－4測站處煤柱應力為原巖應力3.1與2.2之和5.3 MPa，故在20111工作面推進過程中，煤柱在測站處的應力約為 9.8 MPa.

南梁煤礦采用長壁間隔開采方法已采完9個工作面，采空區(qū)面積達130萬m2左右時，經探測采空區(qū)地面出現(xiàn)沉陷坑，說明采空區(qū)頂板已垮落，但沒有發(fā)生大面積垮落事故。由于間隔工作面留設煤柱實際寬度最小為6.4 m，最大24.6 m，基本滿足臨時煤柱和隔離煤柱尺寸和匹配設計的要求，因此，南梁煤礦間歇式開采實現(xiàn)了頂板小面積無災害垮落。

4 結論

1 )隔離煤柱上承載的應力隨著工作面的推進總體表現(xiàn)為先緩慢增加，再快速增大，距測站距工作面150 m時，應力達到了最大值4.8 MPa;之后緩慢下降、趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

2 )在實際生產的過程中，隔離煤柱的實際寬度最小為6.4 m，最大24.6 m，且在已有的觀測現(xiàn)象中并未發(fā)生頂板大面積垮落等災害事故;

3 )間歇式采煤的過程中，隔離煤柱的合理留設能夠基本控制淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)劇烈等礦壓問題，為間歇式采煤提供可靠的安全保障。

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