基于地應(yīng)力測(cè)量的保護(hù)煤柱留設(shè)技術(shù)

馬 偉

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司，山西 晉城048000）

0 引 言

地應(yīng)力也稱原巖應(yīng)力，工程巖體開挖后天然應(yīng)力得到釋放，產(chǎn)生新的應(yīng)力分布[1-2]。在煤礦工程中布置新的井田開拓方案時(shí)常需要先對(duì)井田內(nèi)的地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，基于地應(yīng)力的大小和方向來布置開拓巷道和采區(qū)巷道有利于維護(hù)巷道的穩(wěn)定性同時(shí)降低支護(hù)成本，可見，研究基于地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的煤柱留設(shè)技術(shù)具有極為重要的意義[3-5]。

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦采用斜立混合開拓方式，其井田構(gòu)造綱要如圖1 所示，井下以+320m 水平開拓全井田，三條大巷（（中央回風(fēng)大巷、中央輔助運(yùn)輸大巷、中央膠帶輸送機(jī)大巷）均布置在3#煤層底板巖層中，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，因此地應(yīng)力情況也較為復(fù)雜，為保證3#煤層的安全開采，需對(duì)其地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

2 地應(yīng)力的測(cè)量

2.1 地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)

目前常用的地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)如圖2 所示。

1）應(yīng)力恢復(fù)法。應(yīng)力恢復(fù)法是將已經(jīng)處于應(yīng)力釋放狀態(tài)的巖體，用千斤頂使其恢復(fù)原始應(yīng)力狀態(tài)，該方法可直接測(cè)讀地應(yīng)力，避免了計(jì)算誤差，但該方法只能測(cè)已知主應(yīng)力方向的二維應(yīng)力。

2）應(yīng)力解除法。應(yīng)力解除法是在巖體上先開一個(gè)鉆孔，并測(cè)量鉆孔的相關(guān)數(shù)據(jù)，再采用套管在已開鉆孔外鉆取同心的巖芯，此時(shí)巖芯應(yīng)力得到釋放而產(chǎn)生彈性變形，可根據(jù)鉆取同心巖芯前后的讀數(shù)差值計(jì)算出地應(yīng)力的大小和方向。

3）水壓致裂法。水壓致裂法是在選定的測(cè)量區(qū)域，開鑿并封隔一段裸露的巖孔，用高壓水流注入巖孔增壓，直至鉆孔破裂，根據(jù)壓力和時(shí)間曲線和鉆孔破裂模式來確定主應(yīng)力的大小和方向。

4）地球物理方法。地球物理方法是采用光、聲波、射線等技術(shù)來測(cè)量巖體的地應(yīng)力，該方法具有測(cè)量速度快、受限較小，但其測(cè)量精度仍有待進(jìn)一步提高。

5）地質(zhì)測(cè)繪法。地質(zhì)構(gòu)造信息法是根據(jù)一系列的地質(zhì)象限來判斷地應(yīng)力方向，如根據(jù)斷層、褶曲、節(jié)理、裂隙等來判斷；也可根據(jù)井下鉆孔的破壞模式以及巷道的受力狀況來進(jìn)行綜合判斷。

2.2 地應(yīng)力實(shí)測(cè)

結(jié)合玉溪煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，經(jīng)研究決定在3#煤層采用應(yīng)力解除法測(cè)量其地應(yīng)力，共布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于中央回風(fēng)大巷西幫的22#瓦斯抽放鉆場(chǎng)、23#瓦斯抽放鉆場(chǎng)、22#與23#瓦斯抽放鉆場(chǎng)中間巷幫位置（瓦斯抽放鉆場(chǎng)的深度約為3.5m），測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示，測(cè)試鉆孔施工參數(shù)見表1。

圖3 地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 地應(yīng)力原位測(cè)試鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)

經(jīng)測(cè)定后發(fā)現(xiàn)在玉溪井田構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，最大主應(yīng)力的方向集中在N56.21°E～N82°E 之間，平均方向?yàn)镹66.16°E；傾角集中在-5.69～-0.84°之間，平均傾角為-3.16°，接近水平。最小主應(yīng)力的方向集中在N8.05W～N34.49W 之間，平均方向?yàn)镹24.2W；傾角集中在-7.03～-3.36°之間，平均傾角為-5.57°，接近水平。中間主應(yīng)力的方向集中在N4.83W～N6.10E 之間，平均方向?yàn)镹1.77E；傾角集中在-86.54～-80.94°之間，平均傾角為-83.50°，接近垂直方向。玉溪煤礦三個(gè)地應(yīng)力原位測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力的比值最大為1.72，最小為1.3，平均為1.56；三個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的側(cè)壓系數(shù)最大為1.28，最小為1.10，平均為1.21。

3 基于地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的保護(hù)煤柱留設(shè)

基于地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的保安煤柱留設(shè)涉及回采巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)、開拓巷道護(hù)巷煤（巖）柱留設(shè)、停采線煤柱留設(shè)。

3.1 回采巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)

由于回采工作面巷道的護(hù)巷煤（巖）柱一般要經(jīng)受臨近工作面的采動(dòng)影響，其內(nèi)部應(yīng)力分布已改變，從煤柱邊緣開始逐漸出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，回采巷道護(hù)巷煤柱的合理寬度B 可采用式（1）計(jì)算：

式中：x1為計(jì)算得出煤柱塑性區(qū)的寬度，m；x2為巷幫錨桿(索）的長(zhǎng)度，2.4m；x3為煤柱富余尺寸，一般取0.15～0.35。

根據(jù)玉溪煤礦3#煤層工作面的地質(zhì)資料及煤巖層物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果, 求解得到3#煤層回采巷道護(hù)巷煤柱的塑性區(qū)寬度為=9.4m，則回采巷道護(hù)巷煤柱的理論計(jì)算寬度為：

從理論計(jì)算分析得出玉溪煤礦3#煤層工作面回采巷道的合理護(hù)巷煤柱寬度為13.6～15.9m。但由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與理論計(jì)算條件存在差異，理論計(jì)算過程中未考慮煤層傾角、煤層夾矸、施工及其他復(fù)雜因素的影響，因此，具體的護(hù)巷煤柱合理寬度還需考慮支護(hù)條件及現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果等因素進(jìn)行專項(xiàng)研究?jī)?yōu)化。

3.2 開拓巷道護(hù)巷煤（巖）柱留設(shè)

玉溪煤礦一采區(qū)開拓大巷按六條布置，由于開拓巷道服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，且要經(jīng)受兩側(cè)回采工作面多次采動(dòng)影響，相鄰平行巷道存在同時(shí)掘進(jìn)的情況，如三條巖石開拓巷道、三條煤層開拓巷道，這些平行布置且同時(shí)掘進(jìn)的巷道之間留設(shè)一定寬度的護(hù)巷煤（巖）柱。受掘進(jìn)擾動(dòng)影響，巷道掘進(jìn)頭前后一定范圍煤巖層內(nèi)的應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生變化。因此，為了避免掘進(jìn)擾動(dòng)應(yīng)力相互疊加造成巷道掘進(jìn)頭發(fā)生片幫、冒頂?shù)葟?qiáng)礦壓現(xiàn)象，兩條相鄰平行巷道的掘進(jìn)工作面前后應(yīng)當(dāng)保持一定的安全錯(cuò)距。結(jié)合地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，3#煤層開拓巷道護(hù)巷煤（巖）柱留設(shè)設(shè)計(jì)如下：

三條巖石開拓大巷巷道方向?yàn)镹180°S，與最大主應(yīng)力方向的夾角為66.16°，護(hù)巷巖柱寬40m；三條煤層開拓大巷巷道方向?yàn)镹180°S，與最大主應(yīng)力方向的夾角為66.16°，護(hù)巷煤柱寬40m；首采1301 工作面和接替1302 工作面各布置5 條回采巷道，其中工作面輔助運(yùn)輸順槽和膠帶運(yùn)輸順槽平行相鄰布置，工作面回風(fēng)順槽1、回采順槽2、回采順槽3 平行相鄰布置，巷道方向?yàn)镹90°E，與最大主應(yīng)力方向的夾角為23.84°，護(hù)巷煤柱寬20～30m。相鄰平行布置的工作面回采巷道掘進(jìn)頭、三條平行布置的煤層大巷（2 條瓦斯抽放巷和1 條盤區(qū)回風(fēng)巷）掘進(jìn)頭前后至少保持50m 的安全錯(cuò)距；三條平行布置的巖石大巷采用機(jī)掘時(shí)相鄰掘進(jìn)頭前后至少保持50m 的安全錯(cuò)距，采用炮掘時(shí)相鄰掘進(jìn)頭前后至少保持100m 的安全錯(cuò)距。

3.3 停采線煤柱留設(shè)

停采線設(shè)置一般根據(jù)回采工作面超前支撐壓力影響范圍并考慮一定的安全系數(shù)確定，以保證采區(qū)大巷的安全穩(wěn)定，同時(shí)盡可能地提高采區(qū)采出率。為了使采區(qū)巷道保護(hù)煤柱上方頂板在煤柱支撐作用下保持原有狀態(tài)不變，即不受采動(dòng)超前支撐壓力影響，需合理設(shè)置停采線位置，達(dá)到既提高采出率，又保證采區(qū)大巷安全的工程目的。

由于玉溪煤礦為基建礦井，還未有回采實(shí)踐，同時(shí)考慮大采高綜采工作面超前支撐壓力較大，因此結(jié)合周圍同類條件礦井的成功生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及3#煤層地應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果，建議1301 首采工作面的停采線取120m。1301 工作面回采過程中，通過布置礦壓觀測(cè)站，掌握井田煤層地質(zhì)及生產(chǎn)條件下大采高綜采工作面超前支撐壓力的影響范圍，為后續(xù)其他回采工作面停采線設(shè)置提供科學(xué)可靠的依據(jù)，即兼顧保護(hù)采區(qū)大巷不受兩側(cè)回采工作面超前支撐壓力影響和盡量提高采區(qū)采出率等因素，將停采線設(shè)置在超前支撐壓力影響范圍之外。

4 結(jié) 論

1）結(jié)合蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦3# 煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地應(yīng)力不易確定的特點(diǎn)，介紹了目前常用的地應(yīng)力測(cè)量方法，并采用應(yīng)力解除法對(duì)玉溪煤礦3#煤層地應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，得到了地應(yīng)力的大小、方向等參數(shù)。

2）根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果和玉溪煤礦的實(shí)際工程條件，對(duì)3#煤層的回采巷道護(hù)巷煤柱、開拓巷道護(hù)巷煤（巖）柱、停采線煤柱進(jìn)行了留設(shè)。