厚煤層大傾角工作面煤體應(yīng)力實(shí)測(cè)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(yáng)713500）

近幾年來(lái)，厚煤層工作面綜采放頂煤開(kāi)采在國(guó)內(nèi)許多礦區(qū)得到普遍應(yīng)用，與一般厚度煤層開(kāi)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(jìn)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(jī)理[2]；張震等為利用電磁波CT探測(cè)、煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析了側(cè)向采空區(qū)的礦山壓力動(dòng)態(tài)規(guī)律[3]；張敏為、許永祥運(yùn)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(duì)王洼二礦110507 工作面的實(shí)際情況設(shè)計(jì)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(duì)塔山8204-2 工作面區(qū)段煤柱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[10]；關(guān)俊紅對(duì)紅山煤業(yè)3 號(hào)煤層沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行了研究[11]；楊俊哲等對(duì)具有沖擊危險(xiǎn)性煤層的區(qū)段煤柱進(jìn)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(duì)特定工作面煤柱留設(shè)仍需開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析?；诖耍槍?duì)下溝煤礦ZF201 工作面開(kāi)展側(cè)向煤體應(yīng)力分布實(shí)測(cè)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(jì)走向長(zhǎng)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(hù)煤柱留設(shè)20 m，工作面回風(fēng)巷和運(yùn)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(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)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(jì)布置

在工作面回采過(guò)程中，對(duì)工作面前方未回采區(qū)域會(huì)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(hù)的強(qiáng)度和距離。在工作面兩煤巷及停采線煤柱內(nèi)主要通過(guò)設(shè)置鉆孔應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)支承壓力和煤體應(yīng)力，確定應(yīng)力演化特征及圍巖動(dòng)態(tài)破壞范圍，得到工作面推采過(guò)程中受采動(dòng)影響下側(cè)向支承壓力的分布特征及采動(dòng)擾動(dòng)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(gè)圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站對(duì)圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)測(cè)站安設(shè)6 臺(tái)鉆孔應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)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(tái)鉆孔應(yīng)力傳感器。鉆孔應(yīng)力計(jì)布置如圖2。

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

現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，具體的設(shè)備安裝位置及安裝明細(xì)見(jiàn)表1。

3 煤體支承壓力觀測(cè)結(jié)果

鉆孔應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果如圖3。時(shí)間從2019 年1 月18 日至3 月3 日由圖3 的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，各個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)得的為礦山壓力的顯現(xiàn)值，因此不同應(yīng)力計(jì)所測(cè)得的應(yīng)力值會(huì)有所不同。

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

鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝位置距工作面較遠(yuǎn)，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(jì)（1#鉆孔應(yīng)力計(jì)），部分鉆孔應(yīng)力值受工作面采動(dòng)影響較大，監(jiān)測(cè)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(dòng)壓力的影響。

1#鉆孔在距離工作面105 m 左右時(shí)，鉆孔應(yīng)力值開(kāi)始上升，但增長(zhǎng)速度較慢，增幅不大；當(dāng)工作面推進(jìn)至距鉆孔57 m 時(shí)，鉆孔應(yīng)力值明顯升高，相比105 m 時(shí)的2 MPa 增大近1 倍；而后隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力值進(jìn)一步升高，升高速度也越來(lái)越快，增幅明顯；當(dāng)工作面推進(jìn)至32.2 m 時(shí)，應(yīng)力值急劇升高，達(dá)到最大值9.4 MPa，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)達(dá)到鉆孔位置時(shí)，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(kāi)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(shí)距工作面215 m，在距離工作面92 m 左右時(shí)，鉆孔應(yīng)力值開(kāi)始上升，但增長(zhǎng)速度較慢，增幅不大；當(dāng)工作面推進(jìn)至距鉆孔49.6 m 時(shí)，鉆孔應(yīng)力值明顯升高，相比92 m 時(shí)的3.8 MPa 增大1.2 倍；而后隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力值進(jìn)一步升高，升高速度也越來(lái)越快，增幅明顯；當(dāng)工作面推進(jìn)至31.5 m 時(shí)，應(yīng)力值急劇升高，達(dá)到最大值5.4 MPa，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)達(dá)到鉆孔位置時(shí)，應(yīng)力解除，應(yīng)力值降低?？梢钥闯?#鉆孔受工作面超前支承壓力開(kāi)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(shí)距工作面203 m，在距離工作面104 m 左右時(shí)，鉆孔應(yīng)力值開(kāi)始上升，但增長(zhǎng)速度較慢，增幅不大；當(dāng)工作面推進(jìn)至距鉆孔52.2 m 時(shí)，鉆孔應(yīng)力值明顯升高；而后隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力值進(jìn)一步升高，升高速度也越來(lái)越快，增幅明顯；當(dāng)工作面推進(jìn)至33.6 m 時(shí)，應(yīng)力值急劇升高，達(dá)到最大值8.1 MPa，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)達(dá)到鉆孔位置時(shí)，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(kāi)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(jì)在距工作面104.2 m 時(shí)讀數(shù)開(kāi)始波動(dòng)，受到了采動(dòng)應(yīng)力的影響；7#鉆孔距工作面118.1 m 時(shí)應(yīng)力值開(kāi)始增大，也受到了采動(dòng)應(yīng)力的影響。

綜合分析各個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)所測(cè)結(jié)果可知，部分鉆孔受到工作面采動(dòng)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(cè)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(lái)看，可以進(jìn)一步縮小煤柱尺寸。工作面支承壓力影響范圍見(jiàn)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(duì)于工作面及礦井的安全高效開(kāi)采具有重要意義，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的高應(yīng)力區(qū)域開(kāi)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(guò)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(gè)數(shù)值計(jì)算模型。

4.1 采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)的傾向影響范圍

對(duì)201 工作面及該煤層頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(kāi)掘材料道，可以避開(kāi)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(shí)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(duì)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(hù)，同時(shí)可以減小煤柱損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，部分鉆孔受到工作面采動(dòng)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(lái)看，可以進(jìn)一步縮小煤柱尺寸。

3）根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)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。