金辛達煤業(yè)綜放面煤柱應力演化特征實測研究

梁向輝

（山西煤炭運銷集團金辛達煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

能源賦存特征決定了我國是以煤炭作為主要能源消費的國家。 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，社會對煤炭的需求量不斷增加，煤礦開采強度也隨之加大，淺部、賦存條件好的煤炭資源已逐漸枯竭，煤炭開采正在向深部、復雜條件轉移[1-2]。 相關數(shù)據(jù)顯示，我國厚煤層煤炭儲量占比達45%，針對厚煤層開采，目前主要采用綜放開采技術。 綜放開采具有成本低、效率高的優(yōu)點。 綜放面回采巷道一般沿煤層底板布置，巷道頂幫圍巖均為強度較低的煤體，而相鄰工作面間的回采巷道一般留設15～30 m 寬的保護煤柱，這就造成了煤炭資源較大浪費[3-5]。研究表明，工作面采空區(qū)頂板垮落后，會在煤柱上方形成側向支承壓力，側向支承壓力影響范圍、峰值位置、應力集中系數(shù)等參數(shù)，是工作面間煤柱寬度設計的關鍵決定因素[6-7]。

以金辛達煤業(yè)11105 工作面為工程背景，進行綜放面煤柱應力演化特征實測研究，為相鄰工作面間護巷煤柱留設提供依據(jù)。

1 工程概況

金辛達煤業(yè)一采區(qū)11105 工作面位于井田北部，開采11 （9+10+11）#煤層。 工作面平均埋深200 m，工作面北部是實體煤 （11106 備采工作面），南部是11103 工作面采空區(qū)，東部是井田邊界，西部是北輔運大巷。11（9+10+11）#煤層平均煤厚6.16 m，呈黑色，玻璃光澤，質(zhì)軟，性脆，斷口具參差狀，裂隙發(fā)育，條帶狀結構。 煤層直接頂為K2石灰?guī)r，平均厚度11.45 m，灰色夾黑色，不規(guī)則，裂隙較發(fā)育；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.0 m，黑灰色，含少量鋁質(zhì)及黃鐵礦結核，松軟；老底為K1細粒石英砂巖，平均厚度4.0 m，灰白色，以石英為主。

11105 回采工作面與鄰近11106 備采工作面間留設煤柱寬度為30 m，11106 輔運順槽已掘進完成，11105 工作面順槽巷道沿11#煤層底板掘進。

2 綜放面煤柱應力演化特征

2.1 測站布置

在11106 輔運順槽內(nèi)設置兩個壓力觀測數(shù)據(jù)采集分站，每個觀測站在煤柱內(nèi)均勻安放5 個鉆孔應力計，深度分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m。根據(jù)11（9+10+11）#煤層工作面回采經(jīng)驗和現(xiàn)場觀測分析，工作面老頂周期來壓步距為80～100 m左右，為保證兩個觀測站至少有一個觀測站能夠觀測到工作面老頂周期來壓時煤柱的應力分布情況，故兩個觀測站的間距為50 m。 觀測站布置如圖1 所示。

圖1 觀測站布置

觀測站位置煤層埋深200 m 左右，理論原巖應力應在4 MPa 左右，不考慮水平應力影響，故安裝時應力計油囊呈上下安放，鉆孔應力計的初始應力均打壓至3.5～4.5 MPa，之后使其逐漸形成自然平衡。

2.2 煤柱應力分布規(guī)律

根據(jù)11105 回采工作面支架在線監(jiān)測數(shù)據(jù)以及煤柱壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判斷，工作面回采至觀測站2 附近位置時發(fā)生了老頂周期來壓，故以下分析煤柱應力變化規(guī)律時均以觀測站2 觀測到的數(shù)據(jù)為主。

觀測站2 鉆孔應力計統(tǒng)計的回采推進位置與鉆孔應力計壓力值的變化曲線，如圖2 所示。 圖中橫坐標為11105 回采工作面推進位置與觀測站的距離，負值表示工作面回采已推過觀測站位置后觀測站滯后回采位置進入后方采空區(qū)的距離。

圖2 工作面推進距離與煤柱應力變化曲線

從圖2 曲線走勢可以看出，工作面回采推進至觀測站位置前，煤柱內(nèi)的應力基本上沒有變化，說明工作面超前支承壓力較?。还ぷ髅婊夭赏七M至觀測站位置后，隨著采空區(qū)老頂逐步垮落，回轉巖塊壓覆在煤柱上方，形成采空區(qū)側向支承壓力快速增大，煤柱應力開始有明顯增大趨勢；回采工作面采后120 m 左右，老頂垮落巖塊回轉基本穩(wěn)定，壓力逐漸趨于平穩(wěn)；回采工作面采后240 m 之后，采空區(qū)頂板垮落壓實達到了穩(wěn)定狀態(tài)，最終壓力達到7.8 MPa。

觀測站2 處煤柱不同深度位置的壓力分布曲線，如圖3 所示。 30 m 為11105 工作面采空區(qū)位置，0 m 為臨近11106 備采面輔運順槽掘進工作面位置。 從煤柱應力分布曲線可以看出，受11105工作面采動影響，煤柱應力重新分布，采空區(qū)側支承壓力峰值位于煤柱25 m 位置，即距采空區(qū)5 m位置，應力集中系數(shù)2.2；受11106 輔運順槽掘進影響，巷道圍巖應力重新分布，應力峰值位于煤柱5 m 位置，應力集中系數(shù)1.9；煤柱10 m、20 m 位置，應力基本保持在應力計原始設置應力值沒有變化。 由于應力計埋設間距為5 m，應力監(jiān)測曲線顯示的應力與煤柱實際應力分布會存在一定誤差，所以綜合分析判斷，工作面采空區(qū)側支承壓力峰值位置位于距采空區(qū)5 m 左右，應力集中影響范圍小于10 m。

圖3 煤柱應力分布曲線

綜上所述，受工作面采動影響，距11106 備采面輔運順槽5 m （煤柱內(nèi)） 位置產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，巷道圍巖應力環(huán)境較差，同時30 m 寬的煤柱還造成了煤炭資源的很大浪費，在后期煤柱設計時可考慮窄煤柱沿空掘巷配合切頂卸壓，改善巷道應力環(huán)境，同時提高煤炭回收率。

2.3 采空區(qū)頂板垮落穩(wěn)定周期

11105 工作面回采至應力觀測站位置起，煤柱5～25 m 處鉆孔應力計觀測數(shù)據(jù)隨工作面推過時間的變化曲線，如圖4 所示。 工作面日推進距離4～6 m。 從曲線變化趨勢可以看出，工作面回采后，采空區(qū)煤層直接頂垮落，0～10 天期間工作面推進40 m，應力緩慢增加，變化速率??；10～25 天期間工作面采空區(qū)老頂逐步來壓，應力快速增加，變化速率明顯變大；25～40 天期間采空區(qū)老頂下沉基本穩(wěn)定，采空區(qū)處于逐步壓實階段，應力增加速率逐漸變?。?0～45 天之后，采空區(qū)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，煤柱應力基本達到新的平衡狀態(tài)。

圖4 工作面推進時間與煤柱壓力變化曲線

3 結論

1）隨著工作面的不斷推進，煤柱應力逐漸增加并趨于穩(wěn)定，超前采動影響范圍內(nèi)，煤柱應力變化不明顯；滯后工作面后，煤柱應力迅速增加，回采工作面采后240 m 之后，煤柱應力逐漸穩(wěn)定在7.8 MPa，應力集中系數(shù)2.2。

2）受回采工作面影響，采空區(qū)側支承壓力在煤柱中形成的壓力峰值位于距采空區(qū)5 m 左右位置；工作面回采頂板垮落后，采空區(qū)冒落矸石逐步壓實，40～45 天采空區(qū)頂板裂隙帶、彎曲下沉帶活動基本結束，采空區(qū)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3）目前金辛達煤業(yè)工作面煤柱的留設沒有顯著改善巷道圍巖環(huán)境，較寬的煤柱還造成了煤炭資源的很大浪費。 在后期煤柱設計時可考慮窄煤柱沿空掘巷配合切頂卸壓，改善巷道應力環(huán)境，同時提高煤炭回收率。