厚煤層大傾角工作面煤體應(yīng)力實測及煤柱合理寬度分析

張西寨，王文林

（陜西華彬煤業(yè)股份有限公司，陜西 咸陽713500）

近幾年來，厚煤層工作面綜采放頂煤開采在國內(nèi)許多礦區(qū)得到普遍應(yīng)用，與一般厚度煤層開采不同，厚煤層工作面一次采出厚度增高，使得上覆巖層回轉(zhuǎn)運動空間加大，容易誘發(fā)較為劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)，上覆巖層在采空區(qū)及鄰近工作面煤層上部產(chǎn)生側(cè)向斷裂下沉，側(cè)向煤體應(yīng)力明顯升高，對鄰近工作面區(qū)段煤柱及回采巷道圍巖變形造成不利影響，針對厚煤層工作側(cè)向支承壓力分布規(guī)律及煤柱留設(shè)，許多學(xué)者進行了研究。馬耀榮等分析了某礦特厚煤層工作面?zhèn)认蛎后w的支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律[1]；王鈺博揭示塔山8206 工作面綜放特厚煤層側(cè)向煤體的支承壓力演化機理[2]；張震等為利用電磁波CT探測、煤層應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分析了側(cè)向采空區(qū)的礦山壓力動態(tài)規(guī)律[3]；張敏為、許永祥運用CDEM 數(shù)值模擬軟件及相似模擬的方法分析了塔山礦特厚煤層側(cè)向支承壓力分布規(guī)律[4-5]；徐仁桂等分析了傾斜煤層沿空巷道合理煤柱寬度[6]；魏恒征等采用數(shù)值模擬軟件研究了不同寬度煤柱的受力情況[7]；虎鵬等針對王洼二礦110507 工作面的實際情況設(shè)計了6 m煤柱[8]；何文瑞等探討了側(cè)向基本頂斷裂位置，提出了沿空巷道聯(lián)合控制技術(shù)[9]；陳祥祺等對塔山8204-2 工作面區(qū)段煤柱進行了數(shù)值模擬研究[10]；關(guān)俊紅對紅山煤業(yè)3 號煤層沿空掘巷技術(shù)進行了研究[11]；楊俊哲等對具有沖擊危險性煤層的區(qū)段煤柱進行了分析[12]。上述研究為厚及特厚煤層側(cè)向煤體應(yīng)力分布特征及煤柱留設(shè)方面提供了大量參考，但礦井地質(zhì)條件多種多樣，對特定工作面煤柱留設(shè)仍需開展現(xiàn)場監(jiān)測及分析。基于此，針對下溝煤礦ZF201 工作面開展側(cè)向煤體應(yīng)力分布實測研究，再此基礎(chǔ)上確定合理的煤柱尺寸。

1 工作面概況

ZF201 工作面是下溝煤礦402 采區(qū)布置的首采工作面，埋深約380 m，其上部地表為溝谷切割的塬梁地貌，工作面設(shè)計走向長度為1 068 m，傾向120 m，煤層平均厚度12.4 m，傾角為10°～26°。采區(qū)工作面面間保護煤柱留設(shè)20 m，工作面回風(fēng)巷和運輸巷斷面均為矩形，尺寸分別為寬4.4 m、高3.1 m 和寬5.4 m、高3.1 m，巷道斷面較大。工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。ZF201 工作面工程平面圖如圖1。

圖1 ZF201 工作面工程平面圖Fig.1 ZF201 working face engineering plan

2 鉆孔應(yīng)力計布置

在工作面回采過程中，對工作面前方未回采區(qū)域會有應(yīng)力集中影響區(qū)，應(yīng)力集中程度、距離等直接影響著超前支護的強度和距離。在工作面兩煤巷及停采線煤柱內(nèi)主要通過設(shè)置鉆孔應(yīng)力傳感器監(jiān)測支承壓力和煤體應(yīng)力，確定應(yīng)力演化特征及圍巖動態(tài)破壞范圍，得到工作面推采過程中受采動影響下側(cè)向支承壓力的分布特征及采動擾動影響范圍。

在工作面兩煤巷距工作面切眼約200 m 范圍內(nèi)兩側(cè)留巷煤柱內(nèi)各布置1 個圍巖應(yīng)力監(jiān)測測站對圍巖應(yīng)力進行監(jiān)測，每個測站安設(shè)6 臺鉆孔應(yīng)力傳感器，監(jiān)測深度分別為5、8、11、14、17、20 m，孔間距3 m，孔徑42 mm，兩煤巷內(nèi)共安設(shè)12 臺鉆孔應(yīng)力傳感器。鉆孔應(yīng)力計布置如圖2。

圖2 鉆孔應(yīng)力計布置Fig.2 Arrangement of borehole stress meters

現(xiàn)場安裝過程中，根據(jù)現(xiàn)場的情況進行了適當(dāng)調(diào)整，具體的設(shè)備安裝位置及安裝明細見表1。

3 煤體支承壓力觀測結(jié)果

鉆孔應(yīng)力觀測結(jié)果如圖3。時間從2019 年1 月18 日至3 月3 日由圖3 的監(jiān)測結(jié)果可以看出，各個鉆孔應(yīng)力計測得的為礦山壓力的顯現(xiàn)值，因此不同應(yīng)力計所測得的應(yīng)力值會有所不同。

圖3 鉆孔應(yīng)力觀測結(jié)果Fig.3 Borehole stress observation results

鉆孔應(yīng)力計安裝位置距工作面較遠，截止到2019 年3 月28 日，工作面已推采至最近的鉆孔應(yīng)力計（1#鉆孔應(yīng)力計），部分鉆孔應(yīng)力值受工作面采動影響較大，監(jiān)測得到的數(shù)值明顯升高。但仍有少數(shù)鉆孔應(yīng)力顯現(xiàn)出采動壓力的影響。

1#鉆孔在距離工作面105 m 左右時，鉆孔應(yīng)力值開始上升，但增長速度較慢，增幅不大；當(dāng)工作面推進至距鉆孔57 m 時，鉆孔應(yīng)力值明顯升高，相比105 m 時的2 MPa 增大近1 倍；而后隨著工作面的推進，應(yīng)力值進一步升高，升高速度也越來越快，增幅明顯；當(dāng)工作面推進至32.2 m 時，應(yīng)力值急劇升高，達到最大值9.4 MPa，隨著工作面的進一步推進，當(dāng)達到鉆孔位置時，應(yīng)力解除，應(yīng)力值降低。可以看出1#鉆孔受工作面超前支承壓力開始作用的距離為105 m，受支承壓力明顯影響距離為57 m，受支承壓力劇烈影響距離為32.2 m。

6#鉆孔安裝時距工作面215 m，在距離工作面92 m 左右時，鉆孔應(yīng)力值開始上升，但增長速度較慢，增幅不大；當(dāng)工作面推進至距鉆孔49.6 m 時，鉆孔應(yīng)力值明顯升高，相比92 m 時的3.8 MPa 增大1.2 倍；而后隨著工作面的推進，應(yīng)力值進一步升高，升高速度也越來越快，增幅明顯；當(dāng)工作面推進至31.5 m 時，應(yīng)力值急劇升高，達到最大值5.4 MPa，隨著工作面的進一步推進，當(dāng)達到鉆孔位置時，應(yīng)力解除，應(yīng)力值降低。可以看出6#鉆孔受工作面超前支承壓力開始作用的距離為92 m，受支承壓力明顯影響距離為49.6 m，受支承壓力劇烈影響距離為31.5 m。

8#鉆孔安裝時距工作面203 m，在距離工作面104 m 左右時，鉆孔應(yīng)力值開始上升，但增長速度較慢，增幅不大；當(dāng)工作面推進至距鉆孔52.2 m 時，鉆孔應(yīng)力值明顯升高；而后隨著工作面的推進，應(yīng)力值進一步升高，升高速度也越來越快，增幅明顯；當(dāng)工作面推進至33.6 m 時，應(yīng)力值急劇升高，達到最大值8.1 MPa，隨著工作面的進一步推進，當(dāng)達到鉆孔位置時，應(yīng)力解除，應(yīng)力值降低。可以看出8#鉆孔受工作面超前支承壓力開始作用的距離為104 m，受支承壓力明顯影響距離為52.2 m，受支承壓力劇烈影響距離為33.6 m。

2#鉆孔應(yīng)力計在距工作面104.2 m 時讀數(shù)開始波動，受到了采動應(yīng)力的影響；7#鉆孔距工作面118.1 m 時應(yīng)力值開始增大，也受到了采動應(yīng)力的影響。

綜合分析各個鉆孔應(yīng)力計所測結(jié)果可知，部分鉆孔受到工作面采動影響較大，工作面支承壓力影響范圍約在工作面前方101 m，明顯影響范圍為52.9 m，劇烈影響范圍為32.4 m。根據(jù)應(yīng)力觀測結(jié)果，工作面目前留設(shè)20 m 區(qū)段煤柱處于應(yīng)力峰值以內(nèi)，但從回收資源角度來看，可以進一步縮小煤柱尺寸。工作面支承壓力影響范圍見表2。

表2 支承壓力影響范圍Table 2 Influence range of abutment pressure

4 采區(qū)合理區(qū)段煤柱尺寸

區(qū)段煤柱的合理確定對于工作面及礦井的安全高效開采具有重要意義，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的高應(yīng)力區(qū)域開采，其合理區(qū)段煤柱尺寸的確定，需要綜合考慮采深、采高、支承壓力分布狀況等諸多影響因素。根據(jù)下溝煤礦201 工作面巖性綜合柱狀圖建立模型，模型尺寸為200 m×110 m；在分析過程中，宏觀模型條件不變，唯一改變采空區(qū)和回采巷道之間的煤柱尺寸：分別建立煤柱尺寸為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 m 的共10 個數(shù)值計算模型。

4.1 采空區(qū)頂板運動的傾向影響范圍

對201 工作面及該煤層頂?shù)装暹\動規(guī)律進行數(shù)值計算，得到的塑性變形矢量圖和水平方向塑性變形圖如圖4。由塑性變形圖可以看出，模型的塑性變形影響區(qū)域在采空區(qū)右側(cè)7 m 范圍內(nèi)最明顯。工作面采掘完成后，垂直方向應(yīng)力分布呈一定規(guī)律，垂直方向最大壓應(yīng)力位于采空區(qū)右側(cè)7 m 之外，煤柱7 m 以內(nèi)區(qū)域開掘材料道，可以避開高應(yīng)力集中的影響。

圖4 水平方向塑性變形圖Fig.4 Horizontal plastic deformation diagram

4.2 煤柱水平位移

變化采空區(qū)與回采巷道間的煤柱尺寸為3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 m，各模型煤柱側(cè)水平方向位移云圖如圖5。

圖5 材料道煤柱側(cè)水平位移云圖Fig.5 Horizontal displacement cloud map of coal pillar side

根據(jù)不同煤柱尺寸下回采巷道煤柱側(cè)水平位移云圖，可以得到材料道煤柱側(cè)最大水平位移值，繪制的不同煤柱尺寸下最大位移曲線如圖6。

圖6 不同尺寸煤柱側(cè)水平位移圖Fig.6 Horizontal displacements of coal pillars of different sizes

煤柱尺寸等于7 m 時的水平位移與煤柱尺寸選用3～6 m 的水平位移相比，位移變化量較大。7 m后，隨著煤柱尺寸的增大，水平最大位移遞減量相對較小。所以選擇7 m 煤柱尺寸，沿空掘巷不但圍巖變形較小，容易維護，同時可以減小煤柱損失，具有明顯的經(jīng)濟價值。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)鉆孔應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，部分鉆孔受到工作面采動影響較大，工作面支承壓力影響范圍約在工作面前方101 m，明顯影響范圍為52.9 m，劇烈影響范圍為32.4 m。

2）工作面目前留設(shè)20 m 區(qū)段煤柱處于應(yīng)力峰值以內(nèi)，但從回收資源角度來看，可以進一步縮小煤柱尺寸。

3）根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，結(jié)合工作面支承壓力分布規(guī)律，工作面區(qū)段煤柱的合理尺寸為7 m。