滕鑫麟

（冀中能源股份有限公司東龐礦，河北 邢臺 054201）

1 概 況

深部地下采煤過程中，煤巖體處于“三高一擾動”（高地應(yīng)力、高地溫、高滲透水壓及強烈的回采擾動）的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下，受采動應(yīng)力影響，煤巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這種變化經(jīng)歷了煤體的孔隙、裂隙閉合，微孔隙、裂隙產(chǎn)生和擴展，進而形成相互貫通的宏觀裂隙網(wǎng)絡(luò)，易發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而引起工作面前方煤體應(yīng)力集中程度及煤體強度發(fā)生明顯變化，尤其是在高地應(yīng)力、高瓦斯壓力等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，更易造成煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)害。因此，確定回采工作面前方采動應(yīng)力集中范圍與集中程度，對指導(dǎo)煤礦井下工作面安全有序回采具有重要意義。

東龐礦主采2號煤層，2號煤21215工作面為典型兩側(cè)采空工作面，該回采面及巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)較為強烈，應(yīng)力集中區(qū)范圍大，因此選取21215兩側(cè)采空工作面開展研究。

2 回采工作面應(yīng)力集中區(qū)測試方案

由于工作面超前采動影響范圍較大，一般可達百余米，設(shè)計21215工作面集中測點布置+散點布置監(jiān)測方式，確保實現(xiàn)超前采動影響范圍全覆蓋，21215回采工作面應(yīng)力集中區(qū)域影響范圍監(jiān)測方案如下。

（1）在21215回采工作面軌道巷超前110 m處，每隔20 m布置1個鉆孔應(yīng)力計，連續(xù)布置4個測點，集中觀測工作面推進時的應(yīng)力集中峰值變化；之后隔80 m和165 m布置2個測點，以觀測工作面應(yīng)力集中區(qū)的范圍。

（2）每個測點布置1個鉆孔應(yīng)力計，鉆孔直徑45 mm，孔深14 m，應(yīng)力計距離底板1.2 m左右，鉆孔垂直于煤壁布置。

（3）布置在超前21215工作面軌道巷250 m和415 m處的鉆孔應(yīng)力計不僅可監(jiān)測隨工作面采動超前段圍巖應(yīng)力集中區(qū)范圍，也可實現(xiàn)對前4個鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗證。繪制應(yīng)力與工作面超前距離間的對應(yīng)規(guī)律，得出21215回采工作面的應(yīng)力集中區(qū)影響范圍。21215回采工作面鉆孔應(yīng)力計布置如圖1所示。

圖1 21215回采工作面鉆孔應(yīng)力計布置示意Fig.1 Layout of borehole stress meter in No.21215 Face

應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)為采集式監(jiān)測，總體上由鉆孔應(yīng)力計接收器（包括傳感器、記錄儀、三通閥）和數(shù)據(jù)采集器2部分組成，按照21215回采工作面實際工況定期采集數(shù)據(jù)。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制隨工作面回采進程的應(yīng)力與距離關(guān)系曲線，綜合以上各組數(shù)據(jù)，分析確定21215回采工作面的超前采動影響范圍和程度。

3 21215回采面集中應(yīng)力分析

以3~5 d為觀測周期匯總數(shù)據(jù)，得到所有測點的全部鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 21215回采面全部鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)匯總Fig.2 All borehole stress meter data summary of No.21215 Face

由全部的鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，距21215工作面56~60 m開始出現(xiàn)鉆孔應(yīng)力計讀數(shù)升高，說明應(yīng)力集中的最大影響范圍在58 m左右。距21215工作面25~56 m應(yīng)力集中系數(shù)逐漸加大，應(yīng)力集中程度緩慢穩(wěn)定提升。當距21215工作面25 m以內(nèi)時，應(yīng)力集中系數(shù)增加較快，應(yīng)力集中程度提升較大，鉆孔應(yīng)力計讀數(shù)上升較快，一直到距離工作面7~11 m時，鉆孔應(yīng)力計的讀數(shù)達到最高，說明此段距離為21215回采工作面應(yīng)力集中的峰值區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)達到最大值；而鄰近工作面煤壁側(cè)，由于煤體處于塑性區(qū)邊緣，煤體內(nèi)部破碎比較嚴重，應(yīng)力傳遞效應(yīng)降低，其應(yīng)力數(shù)值有所減少。

圖3為21215回采面1~4號鉆孔的應(yīng)力監(jiān)測分布曲線。

圖3 21215回采面1~4號鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)Fig.3 Data of No.1~4 borehole stress meter in No.21215 Face

鉆孔1、鉆孔2間距20 m，兩者曲線走勢大致相當，反映了工作面推進過程中的應(yīng)力變化。鉆孔1、2監(jiān)測線顯示應(yīng)力值自工作面58.4 m左右開始緩慢增加，但速率較緩慢，總體應(yīng)力集中范圍為1號鉆孔應(yīng)力計顯示距工作面20 m左右應(yīng)力值增加速率顯著加大，直至距工作面8 m左右到達應(yīng)力峰值區(qū)；2號鉆孔應(yīng)力計顯示距工作面20 m開始應(yīng)力增加逐漸變快，應(yīng)力峰值區(qū)距離工作面7~11 m。鉆孔3、鉆孔4應(yīng)力計監(jiān)測顯示自工作面前方56~60 m應(yīng)力值開始增加，即應(yīng)力集中區(qū)范圍至工作面前方56~60 m。應(yīng)力集中系數(shù)隨工作面的不斷推進而逐漸增大，直至距離工作面15~25 m處，應(yīng)力集中系數(shù)增加速率加大，到距工作面7.3~10.1 m應(yīng)力集中系數(shù)達到最大值，約1.85左右。

為進一步確定應(yīng)力集中峰值區(qū)的范圍，匯總鉆孔間距為20 m的1~4號鉆孔應(yīng)力計的讀數(shù)，如圖4所示。綜合21215回采面1~4號鉆孔應(yīng)力計數(shù)值變化曲線，可以得出21215回采工作面應(yīng)力集中區(qū)域范圍在工作面煤壁前方56~60 m，應(yīng)力集中峰值區(qū)域距離工作面煤壁7~11 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.2~1.9。

圖4 21215回采面1~4號鉆孔應(yīng)力計數(shù)據(jù)匯總Fig.4 Data summary of No.1~4 borehole stress meter in No.21215 Face

4 結(jié) 論

（1）采掘工作面應(yīng)力集中區(qū)影響范圍主要受工作面上覆基本頂破斷及其活動規(guī)律、煤巖體賦存特征、煤巖體強度等多因素的綜合影響，根據(jù)對2號煤層21215典型兩側(cè)采空工作面的集中應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，得到東龐礦2號煤層回采工作面超前應(yīng)力集中區(qū)范圍為56~60 m，應(yīng)力集中峰值區(qū)位置距離煤壁7~11 m，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2~1.9。

（2）由于采掘工作面應(yīng)力集中區(qū)影響范圍主要受煤層開采強度及厚度、開采深度、煤層傾角、直接頂巖層賦存特征、基本頂特征及其活動規(guī)律、工作面長度及推進速度等眾多因素影響，因此，在采掘地質(zhì)生產(chǎn)條件發(fā)生變化時應(yīng)分析其對應(yīng)力集中范圍影響的正負效應(yīng)，同時加強對2號煤層采掘工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件變化段圍巖的實時動態(tài)監(jiān)測與安全管控。