孫家愷

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

厚煤層儲量十分豐富，全國厚煤層生產(chǎn)礦井占總數(shù)的41%，生產(chǎn)礦井開采儲量占總儲量的45%。在特厚煤層開采中，大多采用較大的煤柱以保護(hù)準(zhǔn)備巷道，不但造成煤炭資源浪費(fèi)，在深度較大的煤層中會導(dǎo)致煤巖層壓力增大，引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害。因此，研究無煤柱(小煤柱)開采技術(shù)成為礦井實(shí)現(xiàn)安全高效開采的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

為了最大限度提高煤炭回收率，國內(nèi)外專家們提出無煤柱(小煤柱)沿空掘巷的方法，在上區(qū)段覆巖穩(wěn)定后，沿采空區(qū)側(cè)留3～7 m的小煤柱護(hù)巷，可以保證巷道的穩(wěn)定和提高回收率。沿空掘巷一般在相鄰工作面推過數(shù)月或相應(yīng)距離間隔后開始沿采空區(qū)掘進(jìn)，所留煤柱較小，并且從礦壓的分布規(guī)律來看，沿空掘巷在其縱向處于相鄰采空區(qū)的支承壓力穩(wěn)定帶、在其橫向處于支承壓力已釋放的煤壁塑性區(qū)。這樣使得采用沿空掘巷工藝實(shí)現(xiàn)無煤柱開采一方面可以大幅度提高采區(qū)煤炭回收率，另一方面則由于沿空掘巷位于工作面采空區(qū)卸壓帶內(nèi)掘進(jìn)，巷道圍巖壓力較小，巷道維護(hù)容易，成本低廉，維護(hù)的時間也較短。

該煤礦在開采過程中采用煤柱護(hù)巷工藝，回風(fēng)巷為上一工作面的輔助運(yùn)輸巷，由于巷道受兩次采動影響，因此在回采過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的底鼓、變形，甚至局部出現(xiàn)了沖擊地壓，為此，本文采用多種手段監(jiān)測該礦區(qū)段煤柱應(yīng)力，對其區(qū)段煤柱寬度穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

1 工程背景

回采過程中，回風(fēng)巷存在嚴(yán)重的變形，并出現(xiàn)了強(qiáng)烈的動力現(xiàn)象?；仫L(fēng)巷現(xiàn)場變形情況如圖1所示。

圖1 回風(fēng)巷現(xiàn)場變形情況

由圖1可以看出，在輔助運(yùn)輸巷被用作回風(fēng)巷進(jìn)行回采時，煤柱變形嚴(yán)重，甚至發(fā)生了多次沖擊地壓顯現(xiàn)，僅從2015年6月1日-11月28日的7個月時間，在回風(fēng)巷便記錄到27次沖擊地壓顯現(xiàn)，巷道變形嚴(yán)重，頂板冒落、錨索拉斷、底板底鼓等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了工作面的安全和穩(wěn)定回采，隨著巷道變形的增加和斷面的縮小，嚴(yán)重影響到工作面的通風(fēng)和工作面的行人。

結(jié)合工作面附近鉆孔柱狀圖可知，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.98～5.97 m，深灰色，含植物化石碎片及滑面，貝殼狀斷口；老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為9.90～36.83 m，灰白色，夾薄層半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬鈣質(zhì)砂巖；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.39～7.29 m，深灰色或淺灰色，含豐富不完整植物化石；老底為中粒砂巖，厚度為8.45 m，灰白色，半堅(jiān)硬。工作面頂板屬于巨厚堅(jiān)硬頂板，老頂破裂后導(dǎo)致側(cè)向應(yīng)力集中程度較大，煤柱的寬度需要重新進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。

該煤礦311102工作面走向長度為3578 m，傾向長度為260 m，面積為930280 m2，埋深為610～629 m，東部毗鄰311101工作面采空區(qū)，西部緊挨311103工作面實(shí)體煤，煤層平均厚度為5.42 m，平均傾角為1.5°，區(qū)段煤柱寬度為30 m，采深超過600 m。巖層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2 工作面采動應(yīng)力監(jiān)測

為了有效監(jiān)測311102工作面回采期間的支承壓力，弄清超前采動應(yīng)力大小及分布范圍、煤柱側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，進(jìn)而為工作面巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及煤柱的合理留設(shè)提供參考依據(jù)，在311102工作面輔運(yùn)巷及回風(fēng)巷進(jìn)行采動應(yīng)力監(jiān)測。

在311102工作面輔運(yùn)巷煤柱側(cè)布置兩組(共8個)鉆孔應(yīng)力計(jì)，其中第一組(共5個)應(yīng)力計(jì)距切眼1010 m，鉆孔深度分別為6 m、9 m、12 m、15 m、18 m，孔間距為2 m；第二組(共3個)應(yīng)力計(jì)距切眼1040 m，應(yīng)力計(jì)鉆孔深度依次為5 m、8 m、11 m，孔間距為7 m。在311102工作面回風(fēng)巷距切眼1130 m左右布設(shè)應(yīng)力計(jì)。實(shí)體煤側(cè)布置3個應(yīng)力計(jì)，實(shí)體煤側(cè)1～3號鉆孔深度依次為6 m、8 m和10 m。煤柱側(cè)布置5個應(yīng)力計(jì)，1～5號鉆孔深度依次為3 m、6 m、9 m、8 m和10 m。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，工作面后方500 m以外輔運(yùn)巷側(cè)護(hù)巷煤柱應(yīng)力基本穩(wěn)定，塑性破壞區(qū)發(fā)育至6～8 m深度。8 m、9 m深度應(yīng)力集中系數(shù)較大，處于應(yīng)力增高區(qū)；11 m、12 m深度應(yīng)力集中系數(shù)不大，這說明該深度距兩側(cè)應(yīng)力峰值較遠(yuǎn)，位于內(nèi)部彈性核區(qū)；15 m深度應(yīng)力集中系數(shù)較大，說明該深度位于311102工作面采空區(qū)側(cè)應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)。通過以上分析可以得出，受一次采動影響穩(wěn)定后，輔運(yùn)巷煤柱側(cè)塑性區(qū)位于6 ～8 m深度；8～9 m深度位于輔運(yùn)巷側(cè)應(yīng)力增高區(qū)；11～12 m深度距兩側(cè)峰值較遠(yuǎn)，位于內(nèi)部彈性核區(qū)；15 m深度位于311102工作面采空區(qū)側(cè)應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)。

工作面前方80 m回風(fēng)巷煤柱8 m深度應(yīng)力達(dá)到峰值，工作面前方40 m回風(fēng)巷煤柱10 m深度位置應(yīng)力達(dá)到峰值，工作面前方70 m回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)6 m深度位置應(yīng)力達(dá)到峰值，實(shí)體煤側(cè)8 m、10 m深應(yīng)力計(jì)由于線路被破壞，未監(jiān)測到峰值。

根據(jù)以上監(jiān)測結(jié)果，可得工作面后方500 m以外輔助運(yùn)輸巷側(cè)護(hù)巷煤柱支承壓力分布情況，如圖3所示，工作面前方70 m回風(fēng)巷兩幫煤體側(cè)向支承壓力分布情況如圖4所示。

圖3 輔運(yùn)巷側(cè)護(hù)巷煤柱應(yīng)力分布

圖4 回風(fēng)巷兩幫應(yīng)力分布

3 煤柱應(yīng)力PASAT觀測及分析

鉆孔應(yīng)力計(jì)只是進(jìn)行某個點(diǎn)的應(yīng)力觀測。而PASAT-M型便攜式微震探測技術(shù)是通過對觀測到的地震波各種震相的運(yùn)動學(xué)(走時、射線路徑)和動力學(xué)(波形、振幅、相位、頻率)資料的分析，進(jìn)而反演由大量射線覆蓋的地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、速度分布及其彈性參數(shù)等重要信息的一種地理物理方法。

因此，在現(xiàn)場開展采動影響條件下311102工作面主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷之間的煤柱受力狀態(tài)的PASAT-M型探測，針對震波在煤柱內(nèi)部的波速分布情況，分析煤柱應(yīng)力結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析煤柱穩(wěn)定性以及留設(shè)寬度的合理性，為其他工作面煤柱的留設(shè)提供參考依據(jù)。

探測范圍為311102工作面前方5～135 m范圍：激發(fā)炮布置在311102工作面輔運(yùn)巷中，共27炮。探測系統(tǒng)具體布置方式如圖5所示。

圖5 PASAT-M監(jiān)測方案

現(xiàn)場設(shè)計(jì)激發(fā)炮27次，收到的有效炮為25炮，其中第4、13炮無效。激發(fā)端和接收端速度線分布狀況如圖6所示。圖中直線交叉越密集，速度場的效果越準(zhǔn)確。圖中由于探測區(qū)兩端直線密度較小，容易造成邊界效應(yīng)，故分析的時候舍去。

圖6 速度線分布狀況

311102工作面主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷煤柱PASAT-M便攜式微震探測結(jié)果見圖7，圖中不同顏色代表震動波縱波的傳遞速度，速度越大，顏色越深，應(yīng)力值越高。

從圖7可以看出，在靠近工作面處煤柱處于應(yīng)力峰值，在15～45 m范圍內(nèi)應(yīng)力小于0～10 m范圍內(nèi)的應(yīng)力，但比其他地方的應(yīng)力大。同時靠近主運(yùn)巷的應(yīng)力值偏高，說明煤柱受到311102工作面開采影響，煤柱內(nèi)應(yīng)力由對稱分布發(fā)生偏移，逐漸靠向311102工作面采空區(qū)側(cè)，在15～50 m范圍內(nèi)，煤柱應(yīng)力峰值基本處于煤柱中軸線。輔運(yùn)側(cè)的應(yīng)力相對小于主運(yùn)巷側(cè)的應(yīng)力。

圖7 主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷煤柱應(yīng)力場分布圖

在45～90 m煤柱范圍內(nèi)，應(yīng)力為典型的馬鞍形曲線，呈現(xiàn)兩邊高、中間低的應(yīng)力狀態(tài)，說明目前煤柱尺寸30 m過于保守，可以進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)超前范圍超過90 m時，煤柱整體處于藍(lán)色區(qū)域，說明超前應(yīng)力影響范圍小于90 m。該結(jié)果與鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測的結(jié)果相吻合。

4 3#聯(lián)巷位置處的煤柱應(yīng)力觀測

在3#聯(lián)巷的煤柱側(cè)，共安設(shè)9個鉆孔應(yīng)力計(jì)(其中8#、9#在密閉時損害)，鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝深度為10 m，高度為1.5～1.8 m。由于重點(diǎn)考慮靠近311102工作面的煤柱應(yīng)力變化情況，因此布置鉆孔由311102運(yùn)輸巷側(cè)煤柱向311103回風(fēng)巷(311102輔運(yùn)巷)側(cè)煤柱呈不等間隔布置，布置如圖8所示。

圖8 3#聯(lián)巷鉆孔應(yīng)力計(jì)布置示意圖

從2016年1月開始安設(shè)至2016年6月，壓力記錄儀每隔30 min記錄一次各個鉆孔應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力值(當(dāng)變化大于0.5 MPa時自動記錄)，并自動存儲數(shù)據(jù)。因此導(dǎo)致應(yīng)力測試數(shù)據(jù)龐大，并且在遠(yuǎn)離工作面時，數(shù)據(jù)變化非常小，因此在分析時只針對發(fā)生變化的進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)選取的原則是：首先剔除由于測試系統(tǒng)可能不穩(wěn)定或其他原因造成的異常數(shù)據(jù)，適當(dāng)考慮數(shù)理統(tǒng)計(jì)，取當(dāng)天監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。為了考慮煤柱受一次采動影響，采取監(jiān)測值減去初始值的方法來進(jìn)行分析(即△P-L)，更容易看到采動影響及煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布情況，如圖9所示。

圖9 測點(diǎn)應(yīng)力-距離的變化曲線圖

由圖9可以看出，煤柱內(nèi)的應(yīng)力先增加后減小，在1#測點(diǎn)(2 m)時增加，隨后應(yīng)力減小，這個與之前測得結(jié)果吻合，說明在6 m附近頂板發(fā)生折斷，該段的煤柱處于小結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低狀態(tài)區(qū)。隨后應(yīng)力開始上升，6#測點(diǎn)位于13.44 m處，應(yīng)力達(dá)到最高值，隨后應(yīng)力減小，煤柱基本不受一次采動影響。根據(jù)圖9所反映的煤柱內(nèi)應(yīng)力值變化特征，可沿工作面走向?qū)⒊安蓜佑绊憚澐譃?個區(qū)段，各區(qū)段具體情況如下：

(1)第一區(qū)段。距工作面24 m以外區(qū)域，測點(diǎn)應(yīng)力曲線圖趨于平穩(wěn)，圍巖受到的采動影響不明顯，可視為周圍的煤體基本未受到采動影響，屬于采動影響輕微區(qū)。

(2)第二區(qū)段。距工作面8～24 m區(qū)域,隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，超前支承壓力開始呈增大趨勢，受其作用巷道圍巖變形速度變大，采動影響明顯區(qū)。

(3)第三區(qū)段。在距工作面5 m左右，受采動影響，超前壓力急劇增大，最后開始迅速下降，屬于采動影響劇烈區(qū)域。

為了掌握整個煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布情況，在上述分析基礎(chǔ)上，將煤柱應(yīng)力按照空間排列，由此可得煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況，如圖10所示。

圖10 煤柱內(nèi)應(yīng)力變化曲線

由圖10可知，在1#測點(diǎn)(2 m)處應(yīng)力值較高，在2#、3#測點(diǎn)(4.44 m、6.44 m)處應(yīng)力處于低值，在4#、5#測點(diǎn)處應(yīng)力處于升高階段，在6#(13.44)測點(diǎn)處應(yīng)力處于峰值狀態(tài)，隨后應(yīng)力降低。由上述結(jié)果可知，在13.44 m處應(yīng)力處于最高狀態(tài)，這與模擬結(jié)果煤柱應(yīng)力在15 m處是應(yīng)力疊加相吻合。在4.44 m、6.44 m處于應(yīng)力低值，處于小結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低狀態(tài)。

煤柱受一次采動影響相對較小，在整個煤柱內(nèi)部，壓力分布曲線呈起伏狀態(tài)，出現(xiàn)兩個波峰和一個波谷。

5 結(jié)論

(1)通過鉆孔應(yīng)力計(jì)和PASSAT觀測系統(tǒng)對超前應(yīng)力觀測，該煤礦的超前應(yīng)力影響范圍為80 m 左右，應(yīng)力峰值在超前范圍15 m左右。

(2)通過觀測分析，該煤礦煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值位于15 m處，正好處于煤柱中心位置，說明煤柱留設(shè)不合理。

(3)煤柱內(nèi)應(yīng)力分布為：0～8 m為破碎區(qū)，8～15 m為應(yīng)力升高區(qū)，15 m為應(yīng)力疊加區(qū)。

(4)根據(jù)上述分析可知，該煤礦的煤柱留設(shè)不合理，需對煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化和修改。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭林軍.特厚煤層沿空掘巷圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理及其控制對策[D].中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2012

[2] 宋大釗, 王恩元, 李楠等.煤系巖石損傷破壞擾動效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011(4)

[3] 宋義敏, 楊小彬.煤柱失穩(wěn)破壞的變形場及能量演化試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2013(6)

[4] 尹光志, 代高飛, 萬玲等.巖石微裂紋演化的分岔混沌與自組織特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002 (5)

[5] 任奮華, 來興平, 蔡美峰等.破碎巖體巷道非對稱破壞與變形規(guī)律定量預(yù)計(jì)與評價[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3)

[7] 于洋, 柏建彪, 王襄禹等.軟巖巷道非對稱變形破壞特征及穩(wěn)定性控制[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2014(3)

[8] 朱紅光, 謝和平, 易成等.巖石材料微裂隙演化的CT識別[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011 (6)

[9] 彭永偉, 齊慶新, 汪有剛等.煤體采動裂隙現(xiàn)場實(shí)測及其應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010(S2)

[10] 趙啟峰 ,杜鋒, 李強(qiáng)等.綜采工作面沿空掘巷圍巖控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2015(10)

[11] 馮宇, 姜福興, 李京達(dá).孤島工作面圍巖整體失穩(wěn)沖擊危險(xiǎn)性評估方法[J].煤炭學(xué)報(bào), 2015(5)

[12] 侯朝炯, 李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理[J].煤炭學(xué)報(bào), 2001(01)