梁向輝

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金辛達(dá)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(fèi)的國家。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對煤炭的需求量不斷增加，煤礦開采強(qiáng)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(fù)雜條件轉(zhuǎn)移[1-2]。 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國厚煤層煤炭儲量占比達(dá)45%，針對厚煤層開采，目前主要采用綜放開采技術(shù)。 綜放開采具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。 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(qiáng)度較低的煤體，而相鄰工作面間的回采巷道一般留設(shè)15～30 m 寬的保護(hù)煤柱，這就造成了煤炭資源較大浪費(fèi)[3-5]。研究表明，工作面采空區(qū)頂板垮落后，會(huì)在煤柱上方形成側(cè)向支承壓力，側(cè)向支承壓力影響范圍、峰值位置、應(yīng)力集中系數(shù)等參數(shù)，是工作面間煤柱寬度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵決定因素[6-7]。

以金辛達(dá)煤業(yè)11105 工作面為工程背景，進(jìn)行綜放面煤柱應(yīng)力演化特征實(shí)測研究，為相鄰工作面間護(hù)巷煤柱留設(shè)提供依據(jù)。

1 工程概況

金辛達(dá)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(shí)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(yùn)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(jié)構(gòu)。 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(jié)核，松軟；老底為K1細(xì)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(shè)煤柱寬度為30 m，11106 輔運(yùn)順槽已掘進(jìn)完成，11105 工作面順槽巷道沿11#煤層底板掘進(jìn)。

2 綜放面煤柱應(yīng)力演化特征

2.1 測站布置

在11106 輔運(yùn)順槽內(nèi)設(shè)置兩個(gè)壓力觀測數(shù)據(jù)采集分站，每個(gè)觀測站在煤柱內(nèi)均勻安放5 個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，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(yàn)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(gè)觀測站至少有一個(gè)觀測站能夠觀測到工作面老頂周期來壓時(shí)煤柱的應(yīng)力分布情況，故兩個(gè)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(yīng)力應(yīng)在4 MPa 左右，不考慮水平應(yīng)力影響，故安裝時(shí)應(yīng)力計(jì)油囊呈上下安放，鉆孔應(yīng)力計(jì)的初始應(yīng)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(yīng)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(shí)發(fā)生了老頂周期來壓，故以下分析煤柱應(yīng)力變化規(guī)律時(shí)均以觀測站2 觀測到的數(shù)據(jù)為主。

觀測站2 鉆孔應(yīng)力計(jì)統(tǒng)計(jì)的回采推進(jìn)位置與鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力值的變化曲線，如圖2 所示。 圖中橫坐標(biāo)為11105 回采工作面推進(jìn)位置與觀測站的距離，負(fù)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(jìn)入后方采空區(qū)的距離。

圖2 工作面推進(jìn)距離與煤柱應(yīng)力變化曲線

從圖2 曲線走勢可以看出，工作面回采推進(jìn)至觀測站位置前，煤柱內(nèi)的應(yīng)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(jìn)至觀測站位置后，隨著采空區(qū)老頂逐步垮落，回轉(zhuǎn)巖塊壓覆在煤柱上方，形成采空區(qū)側(cè)向支承壓力快速增大，煤柱應(yīng)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(zhuǎn)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(shí)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，最終壓力達(dá)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(yùn)順槽掘進(jìn)工作面位置。 從煤柱應(yīng)力分布曲線可以看出，受11105工作面采動(dòng)影響，煤柱應(yīng)力重新分布，采空區(qū)側(cè)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(yīng)力集中系數(shù)2.2；受11106 輔運(yùn)順槽掘進(jìn)影響，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力峰值位于煤柱5 m 位置，應(yīng)力集中系數(shù)1.9；煤柱10 m、20 m 位置，應(yīng)力基本保持在應(yīng)力計(jì)原始設(shè)置應(yīng)力值沒有變化。 由于應(yīng)力計(jì)埋設(shè)間距為5 m，應(yīng)力監(jiān)測曲線顯示的應(yīng)力與煤柱實(shí)際應(yīng)力分布會(huì)存在一定誤差，所以綜合分析判斷，工作面采空區(qū)側(cè)支承壓力峰值位置位于距采空區(qū)5 m 左右，應(yīng)力集中影響范圍小于10 m。

圖3 煤柱應(yīng)力分布曲線

綜上所述，受工作面采動(dòng)影響，距11106 備采面輔運(yùn)順槽5 m （煤柱內(nèi)） 位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境較差，同時(shí)30 m 寬的煤柱還造成了煤炭資源的很大浪費(fèi)，在后期煤柱設(shè)計(jì)時(shí)可考慮窄煤柱沿空掘巷配合切頂卸壓，改善巷道應(yīng)力環(huán)境，同時(shí)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(yīng)力觀測站位置起，煤柱5～25 m 處鉆孔應(yīng)力計(jì)觀測數(shù)據(jù)隨工作面推過時(shí)間的變化曲線，如圖4 所示。 工作面日推進(jìn)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(jìn)40 m，應(yīng)力緩慢增加，變化速率?。?0～25 天期間工作面采空區(qū)老頂逐步來壓，應(yīng)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(shí)階段，應(yīng)力增加速率逐漸變小；40～45 天之后，采空區(qū)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，煤柱應(yīng)力基本達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖4 工作面推進(jìn)時(shí)間與煤柱壓力變化曲線

3 結(jié)論

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

2）受回采工作面影響，采空區(qū)側(cè)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(shí)，40～45 天采空區(qū)頂板裂隙帶、彎曲下沉帶活動(dòng)基本結(jié)束，采空區(qū)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3）目前金辛達(dá)煤業(yè)工作面煤柱的留設(shè)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(fèi)。 在后期煤柱設(shè)計(jì)時(shí)可考慮窄煤柱沿空掘巷配合切頂卸壓，改善巷道應(yīng)力環(huán)境，同時(shí)提高煤炭回收率。