張西寨，王文林

（陜西華彬煤業(yè)股份有限公司，陜西 咸陽713500）

近幾年來，厚煤層工作面綜采放頂煤開采在國內(nèi)許多礦區(qū)得到普遍應用，與一般厚度煤層開采不同，厚煤層工作面一次采出厚度增高，使得上覆巖層回轉運動空間加大，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)生側向斷裂下沉，側向煤體應力明顯升高，對鄰近工作面區(qū)段煤柱及回采巷道圍巖變形造成不利影響，針對厚煤層工作側向支承壓力分布規(guī)律及煤柱留設，許多學者進行了研究。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向煤體的支承壓力演化機理[2]；張震等為利用電磁波CT探測、煤層應力監(jiān)測系統(tǒng)分析了側向采空區(qū)的礦山壓力動態(tài)規(guī)律[3]；張敏為、許永祥運用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]；虎鵬等針對王洼二礦110507 工作面的實際情況設計了6 m煤柱[8]；何文瑞等探討了側向基本頂斷裂位置，提出了沿空巷道聯(lián)合控制技術[9]；陳祥祺等對塔山8204-2 工作面區(qū)段煤柱進行了數(shù)值模擬研究[10]；關俊紅對紅山煤業(yè)3 號煤層沿空掘巷技術進行了研究[11]；楊俊哲等對具有沖擊危險性煤層的區(qū)段煤柱進行了分析[12]。上述研究為厚及特厚煤層側向煤體應力分布特征及煤柱留設方面提供了大量參考，但礦井地質條件多種多樣，對特定工作面煤柱留設仍需開展現(xiàn)場監(jiān)測及分析?；诖?，針對下溝煤礦ZF201 工作面開展側向煤體應力分布實測研究，再此基礎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，工作面設計走向長度為1 068 m，傾向120 m，煤層平均厚度12.4 m，傾角為10°～26°。采區(qū)工作面面間保護煤柱留設20 m，工作面回風巷和運輸巷斷面均為矩形，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。工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采，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 鉆孔應力計布置

在工作面回采過程中，對工作面前方未回采區(qū)域會有應力集中影響區(qū)，應力集中程度、距離等直接影響著超前支護的強度和距離。在工作面兩煤巷及停采線煤柱內(nèi)主要通過設置鉆孔應力傳感器監(jiān)測支承壓力和煤體應力，確定應力演化特征及圍巖動態(tài)破壞范圍，得到工作面推采過程中受采動影響下側向支承壓力的分布特征及采動擾動影響范圍。

在工作面兩煤巷距工作面切眼約200 m 范圍內(nèi)兩側留巷煤柱內(nèi)各布置1 個圍巖應力監(jiān)測測站對圍巖應力進行監(jiān)測，每個測站安設6 臺鉆孔應力傳感器，監(jiān)測深度分別為5、8、11、14、17、20 m，孔間距3 m，孔徑42 mm，兩煤巷內(nèi)共安設12 臺鉆孔應力傳感器。鉆孔應力計布置如圖2。

圖2 鉆孔應力計布置Fig.2 Arrangement of borehole stress meters

現(xiàn)場安裝過程中，根據(jù)現(xiàn)場的情況進行了適當調(diào)整，具體的設備安裝位置及安裝明細見表1。

3 煤體支承壓力觀測結果

鉆孔應力觀測結果如圖3。時間從2019 年1 月18 日至3 月3 日由圖3 的監(jiān)測結果可以看出，各個鉆孔應力計測得的為礦山壓力的顯現(xiàn)值，因此不同應力計所測得的應力值會有所不同。

圖3 鉆孔應力觀測結果Fig.3 Borehole stress observation results

鉆孔應力計安裝位置距工作面較遠，截止到2019 年3 月28 日，工作面已推采至最近的鉆孔應力計（1#鉆孔應力計），部分鉆孔應力值受工作面采動影響較大，監(jiān)測得到的數(shù)值明顯升高。但仍有少數(shù)鉆孔應力顯現(xiàn)出采動壓力的影響。

1#鉆孔在距離工作面105 m 左右時，鉆孔應力值開始上升，但增長速度較慢，增幅不大；當工作面推進至距鉆孔57 m 時，鉆孔應力值明顯升高，相比105 m 時的2 MPa 增大近1 倍；而后隨著工作面的推進，應力值進一步升高，升高速度也越來越快，增幅明顯；當工作面推進至32.2 m 時，應力值急劇升高，達到最大值9.4 MPa，隨著工作面的進一步推進，當達到鉆孔位置時，應力解除，應力值降低?？梢钥闯?#鉆孔受工作面超前支承壓力開始作用的距離為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#鉆孔安裝時距工作面215 m，在距離工作面92 m 左右時，鉆孔應力值開始上升，但增長速度較慢，增幅不大；當工作面推進至距鉆孔49.6 m 時，鉆孔應力值明顯升高，相比92 m 時的3.8 MPa 增大1.2 倍；而后隨著工作面的推進，應力值進一步升高，升高速度也越來越快，增幅明顯；當工作面推進至31.5 m 時，應力值急劇升高，達到最大值5.4 MPa，隨著工作面的進一步推進，當達到鉆孔位置時，應力解除，應力值降低?？梢钥闯?#鉆孔受工作面超前支承壓力開始作用的距離為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#鉆孔安裝時距工作面203 m，在距離工作面104 m 左右時，鉆孔應力值開始上升，但增長速度較慢，增幅不大；當工作面推進至距鉆孔52.2 m 時，鉆孔應力值明顯升高；而后隨著工作面的推進，應力值進一步升高，升高速度也越來越快，增幅明顯；當工作面推進至33.6 m 時，應力值急劇升高，達到最大值8.1 MPa，隨著工作面的進一步推進，當達到鉆孔位置時，應力解除，應力值降低?？梢钥闯?#鉆孔受工作面超前支承壓力開始作用的距離為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#鉆孔應力計在距工作面104.2 m 時讀數(shù)開始波動，受到了采動應力的影響；7#鉆孔距工作面118.1 m 時應力值開始增大，也受到了采動應力的影響。

綜合分析各個鉆孔應力計所測結果可知，部分鉆孔受到工作面采動影響較大，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)應力觀測結果，工作面目前留設20 m 區(qū)段煤柱處于應力峰值以內(nèi)，但從回收資源角度來看，可以進一步縮小煤柱尺寸。工作面支承壓力影響范圍見表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于工作面及礦井的安全高效開采具有重要意義，對于復雜地質條件下的高應力區(qū)域開采，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 個數(shù)值計算模型。

4.1 采空區(qū)頂板運動的傾向影響范圍

對201 工作面及該煤層頂?shù)装暹\動規(guī)律進行數(shù)值計算，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7 m 范圍內(nèi)最明顯。工作面采掘完成后，垂直方向應力分布呈一定規(guī)律，垂直方向最大壓應力位于采空區(qū)右側7 m 之外，煤柱7 m 以內(nèi)區(qū)域開掘材料道，可以避開高應力集中的影響。

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，各模型煤柱側水平方向位移云圖如圖5。

圖5 材料道煤柱側水平位移云圖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水平位移云圖，可以得到材料道煤柱側最大水平位移值，繪制的不同煤柱尺寸下最大位移曲線如圖6。

圖6 不同尺寸煤柱側水平位移圖Fig.6 Horizontal displacements of coal pillars of different sizes

煤柱尺寸等于7 m 時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，同時可以減小煤柱損失，具有明顯的經(jīng)濟價值。

5 結 論

1）根據(jù)鉆孔應力監(jiān)測結果，部分鉆孔受到工作面采動影響較大，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20 m 區(qū)段煤柱處于應力峰值以內(nèi)，但從回收資源角度來看，可以進一步縮小煤柱尺寸。

3）根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，結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。