淺埋深薄基巖礦井煤柱內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境研究

【摘要】現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)不同深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)某淺埋深薄基巖煤礦的煤柱內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析采集的數(shù)據(jù)，本文對(duì)煤柱內(nèi)部不同深度處應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行了分析，給出了該礦煤柱超前應(yīng)力受采動(dòng)影響的范圍，并給出了煤柱附近頂板發(fā)生側(cè)向斷裂的范圍。

【關(guān)鍵詞】淺埋深；薄基巖；煤柱內(nèi)部應(yīng)力

內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，井田位于東勝煤田的中南部，其構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)一致，總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，傾向220°～260°，地層傾角小于5°。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，但在個(gè)別地段，煤層底板等高線起伏較大，起伏角一般小于2°，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂及緊密褶皺，亦無(wú)巖漿巖侵入。222203工作面為該礦22采區(qū)第二個(gè)工作面，工作面四周及上下煤層均未開(kāi)采，煤層厚度4.6～10.6m，夾石厚度0.3～1.9m，煤層平均厚度6m，煤層傾角為0～5°，煤層頂板為細(xì)粒砂巖及砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖。

1、儀器安裝

在222203工作面與222204工作面（該面尚未開(kāi)采）間的區(qū)段煤柱內(nèi)，距離切眼23m開(kāi)始布置第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以后每隔4m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置6個(gè)。孔深分別為3m、5m、7m、9m、11m、12m。鉆孔直徑48mm，在鉆孔里安裝應(yīng)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。監(jiān)測(cè)采用KSE-III煤體應(yīng)力采集系統(tǒng)（圖1），由KJ21-FY礦用本安型壓力監(jiān)測(cè)分站、KSE-III-C鋼弦采集儀、地面適配器、鉆孔應(yīng)力計(jì)等組成，用來(lái)測(cè)量煤體應(yīng)力、超前支承壓力，觀測(cè)人員定期攜帶采集儀到井下采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)通過(guò)適配器傳入計(jì)算機(jī)，采用專用軟件自動(dòng)生成礦壓報(bào)表，分析工作面及巷道周圍應(yīng)力集中區(qū)域，為超前支護(hù)范圍確定及煤柱合理寬度留設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2、煤柱內(nèi)支承壓力

由于222203工作面輔運(yùn)順槽側(cè)的222204工作面尚未開(kāi)采，此處的煤體礦方擬將其作為將來(lái)222204工作面開(kāi)采后預(yù)留設(shè)的煤柱，暫稱此處煤體為煤柱。

（1）煤柱內(nèi)3m測(cè)點(diǎn)

由圖2可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，3m鉆孔測(cè)點(diǎn)處煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增大，當(dāng)3m鉆孔測(cè)點(diǎn)距離工作面7.6m～8m間時(shí)，應(yīng)力值出現(xiàn)急速上升，結(jié)合工作面支架壓力分析，此時(shí)為工作面初次來(lái)壓，對(duì)該測(cè)點(diǎn)有顯著的影響；工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)14.5m～23.9m，結(jié)合工作面的來(lái)壓分析，此時(shí)出現(xiàn)了較為明顯的壓力顯現(xiàn)（第一次周期來(lái)壓），隨后應(yīng)力急速下降，表明此處由于前方頂板斷裂導(dǎo)致應(yīng)力迅速減小；工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)23.9m后，煤體應(yīng)力基本保持不變，這說(shuō)明前方工作面的回采對(duì)此處已經(jīng)基本上沒(méi)有影響，據(jù)推算，第二次周期來(lái)壓應(yīng)該出現(xiàn)在工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)40m左右的位置，但對(duì)比曲線未發(fā)現(xiàn)異常，說(shuō)明第二次周期來(lái)壓未影響到該處。

（2）煤柱內(nèi)5m測(cè)點(diǎn)

由圖3可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，5m鉆孔測(cè)點(diǎn)處煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增大，當(dāng)5m鉆孔測(cè)點(diǎn)距離工作面11.6m～12m時(shí)，應(yīng)力值出現(xiàn)上升，結(jié)合工作面支架壓力分析，此時(shí)為工作面初次來(lái)壓，初次來(lái)壓對(duì)該測(cè)點(diǎn)有影響，但是沒(méi)有3m鉆孔測(cè)點(diǎn)處那么明顯；工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)2m～18.5m間時(shí)，應(yīng)力走勢(shì)平緩，此時(shí)工作面采動(dòng)對(duì)該測(cè)點(diǎn)基本影響；推過(guò)測(cè)點(diǎn)18.5m～19.9m間時(shí)，應(yīng)力值有個(gè)迅速上升，結(jié)合工作面的來(lái)壓分析，此時(shí)出現(xiàn)較為明顯的壓力顯現(xiàn)（第一次周期來(lái)壓）；工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)19.9m后，曲線走勢(shì)又近乎平緩，工作面的采動(dòng)對(duì)該測(cè)點(diǎn)也無(wú)影響；推過(guò)測(cè)點(diǎn)31.5m～33.2m間時(shí)，應(yīng)力值又有一個(gè)上升，但是幅度沒(méi)有前期那么大，此時(shí)工作面處在第二次周期來(lái)壓上，說(shuō)明工作面周期來(lái)壓對(duì)該處的應(yīng)力變化仍有影響，但是相對(duì)第一次周期來(lái)壓，影響就小了一些。

（3）煤柱內(nèi)7m測(cè)點(diǎn)

由圖4可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，7m鉆孔測(cè)點(diǎn)處煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增大，當(dāng)7m鉆孔測(cè)點(diǎn)距離工作面15.6m～16m間時(shí)，應(yīng)力值出現(xiàn)上升，結(jié)合工作面支架壓力分析，此時(shí)為工作面初次來(lái)壓，說(shuō)明工作面初次來(lái)壓對(duì)該測(cè)點(diǎn)仍有影響，但較之5m鉆孔，影響又小了很多；當(dāng)7m鉆孔測(cè)點(diǎn)距離工作面2m時(shí)，鉆孔應(yīng)力達(dá)到最大值并保持一段距離；當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)6.5m～14.5m間時(shí)，應(yīng)力走勢(shì)陡降，此時(shí)工作面出現(xiàn)第一次周期來(lái)壓，說(shuō)明此時(shí)前方頂板斷裂而導(dǎo)致應(yīng)力迅速減??；工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)14.5m后，曲線走勢(shì)又近乎平緩，表明此處已經(jīng)不受前方工作面采動(dòng)的影響了。

（4）煤柱內(nèi)9m測(cè)點(diǎn)

由圖5可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，9m鉆孔測(cè)點(diǎn)處煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增大，當(dāng)7m鉆孔測(cè)點(diǎn)距離工作面19.6m～20m間時(shí)，應(yīng)力值保持不變，結(jié)合工作面支架壓力分析，此時(shí)為工作面初次來(lái)壓，說(shuō)明工作面初次來(lái)壓對(duì)該測(cè)點(diǎn)基本沒(méi)有影響，由此可以推斷，工作面超前影響距離約為20m；當(dāng)9m鉆孔測(cè)點(diǎn)距離工作面6m時(shí)，鉆孔應(yīng)力達(dá)到最大值并保持一段距離；當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)2.5m～10.5m間時(shí)，應(yīng)力走勢(shì)陡降，此時(shí)工作面出現(xiàn)第一次周期來(lái)壓，說(shuō)明此時(shí)前方頂板斷裂而導(dǎo)致應(yīng)力迅速減??；工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)10.5m后，曲線走勢(shì)又近乎平緩，表明此處已經(jīng)不受前方工作面采動(dòng)的影響了。

（5）煤柱內(nèi)11m測(cè)點(diǎn)

由圖6可以看出：11m鉆孔測(cè)點(diǎn)隨著工作面的推進(jìn)應(yīng)力值基本保持不變，曲線呈近水平狀態(tài)，并在尾部出現(xiàn)一定程度的下降（應(yīng)力計(jì)卸壓導(dǎo)致），推斷該鉆孔應(yīng)力計(jì)可能安設(shè)在夾矸泥巖中，由于圍巖強(qiáng)度過(guò)小，鉆孔周圍巖體不能向應(yīng)力計(jì)傳遞壓力，以致應(yīng)力計(jì)基本安裝時(shí)的初始應(yīng)力不發(fā)生變化。

3、煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力

選擇五個(gè)典型的時(shí)刻來(lái)分析煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，測(cè)點(diǎn)距工作面的距離分別為-6m、-2m、6m、12m、24m五個(gè)時(shí)刻，應(yīng)力分布如圖8所示。

通過(guò)圖7可知，五個(gè)時(shí)刻側(cè)向支承壓力分布曲線呈相同的起伏狀態(tài)，出現(xiàn)兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，應(yīng)力值在5～7. 5MPa范圍內(nèi)。

以5個(gè)應(yīng)力計(jì)變化趨勢(shì)而言，距工作面12m、24m兩個(gè)時(shí)刻時(shí)增長(zhǎng)幅度較平緩，說(shuō)明距工作面12～24m范圍內(nèi)側(cè)向支承壓力受采動(dòng)的影響不明顯；-2m、-6m時(shí)刻，變化曲線基本重合，可以斷定-2m以內(nèi)為采空區(qū)后側(cè)向支承壓力受采動(dòng)影響范圍；測(cè)點(diǎn)距工作面6m、12m、24m時(shí)，側(cè)向支承壓力分布具有相同的規(guī)律：出現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)力峰值，之間距離為6～8m，根據(jù) “內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”理論可知，在距煤壁6～8m范圍內(nèi)煤柱附近頂板發(fā)生側(cè)向斷裂。

4、結(jié)論

本文通過(guò)在煤柱內(nèi)安裝不同深度（3m、5m、7m、9m、11m、12m）的鉆孔應(yīng)力計(jì)，對(duì)煤柱內(nèi)不同深度處應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行了觀測(cè)分析，得出了：煤柱內(nèi)超前支承壓力受采動(dòng)影響范圍在28m以內(nèi)，煤柱超前支承壓力分布受采動(dòng)影響較顯著。側(cè)向支承壓力分布曲線呈起伏狀態(tài)，出現(xiàn)兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，通過(guò)“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”理論可以推斷煤柱附近頂板發(fā)生側(cè)向斷裂的位置在6～8m范圍內(nèi)。