張燕鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037001）

1 概況

燕子山煤礦鉆孔柱狀圖顯示，當(dāng)前開(kāi)采8204工作面埋深171.33 m，基巖總厚度為129.17 m，為侏羅系中統(tǒng)直羅組和延安組；地表松散層總厚度為42.16 m， 4.62 m 的松散淺黃細(xì)沙，37.54 m 的離石組淺黃色亞黏土；8204 工作面煤層厚度約6.2 m，采用綜采一次采全高的方法。兩工作面間巷道中心間距25 m，留設(shè)煤柱寬度18.5 m，工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)回風(fēng)順槽片幫或網(wǎng)兜現(xiàn)象[1]。通過(guò)對(duì)工作面礦壓、煤體應(yīng)力、錨桿應(yīng)力等特征參數(shù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行留設(shè)煤柱寬度計(jì)算和模型煤柱寬度模擬測(cè)定，探究合適煤柱寬度。

2 綜采工作面監(jiān)測(cè)分析

（1）工作面礦壓監(jiān)測(cè)

在8204 工作面采煤機(jī)機(jī)頭處的支架位置、工作面中部區(qū)域支架位置以及采煤機(jī)機(jī)尾支架位置共設(shè)置三個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站[2]。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)過(guò)程共經(jīng)歷了8 次周期來(lái)壓，可計(jì)算出8204工作面基本頂周期來(lái)壓時(shí)間間隔為2～3 d，周期來(lái)壓步距10～20 m。對(duì)支架支護(hù)壓強(qiáng)和來(lái)壓壓強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中來(lái)壓壓強(qiáng)是8204 工作面來(lái)壓周期內(nèi)支架載荷大小[3]。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，布置在工作面中間區(qū)域支架支護(hù)強(qiáng)度最大，且基本頂周期來(lái)壓強(qiáng)度最高，但三處監(jiān)測(cè)站的支架支護(hù)強(qiáng)度均大于來(lái)壓強(qiáng)度，且工作阻力整體變化范圍較小。

（2）煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)

回采作業(yè)中留設(shè)煤柱穩(wěn)定可靠是關(guān)鍵，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力特征是煤柱穩(wěn)定的直接因素[4]，為此采用GZY50W 型應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)8204 工作面留設(shè)煤柱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。共設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)站，第一個(gè)監(jiān)測(cè)站與工作面距離分別為60 m，分別間隔30 m 與50 m 布置；每個(gè)監(jiān)測(cè)站布置兩個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置淺部測(cè)點(diǎn)和深部測(cè)點(diǎn)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。GZY50W 型應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器采用深孔安裝方式，安裝孔深直徑在40～45 mm 范圍，孔深為4.5 m，其中淺部測(cè)點(diǎn)傳感器安裝深度為2.5 m，深部測(cè)點(diǎn)傳感器安裝深度為4.5 m。具體應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面和應(yīng)力傳感器安裝示意如圖1。

GZY50W 型應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器具有無(wú)線傳輸功能，可以將監(jiān)測(cè)到的煤柱應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊的方式傳輸?shù)骄略O(shè)置的KJ24-FW 礦用本安型壓力監(jiān)測(cè)子站。共設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)子站，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有應(yīng)力傳感器信號(hào)全部歸集到子站，監(jiān)測(cè)子站匯總所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后上傳到監(jiān)測(cè)服務(wù)器。統(tǒng)計(jì)了8204工作面留設(shè)煤柱2022 年2 月11 日到2022 年3 月4 日工作面推進(jìn)過(guò)程中三個(gè)監(jiān)測(cè)站煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成圖2。

通過(guò)圖2 可以看出，8204 工作面無(wú)論是2.5 m深度的淺部測(cè)點(diǎn)還是4.5 m 的深部測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都顯示在工作面回采推進(jìn)過(guò)程中，距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)10 m左右時(shí)，留設(shè)煤柱應(yīng)力開(kāi)始發(fā)生變化，與工作面處于同一斷面時(shí)應(yīng)力最大增量為0.1 MPa，工作面推過(guò)后，距測(cè)站50 m 的采空區(qū)煤體應(yīng)力最大增量穩(wěn)定在0.5 MPa，說(shuō)明一側(cè)工作面回采時(shí)煤柱變形量較小。

圖2 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖

（3）錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

煤柱留設(shè)寬度與煤柱支護(hù)作用下支護(hù)煤柱和受支護(hù)巷道圍巖的受力情況有直接關(guān)系[5]，煤柱與圍巖的受力特征監(jiān)測(cè)采用錨桿應(yīng)力計(jì)方式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在煤柱兩側(cè)。具體的監(jiān)測(cè)方案為：在留設(shè)煤柱距離工作面分別為40 m、70 m 和100 m 處設(shè)置受力情況監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，間隔2 m，斷面安裝錨桿應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)安裝位置分別為煤柱膠運(yùn)順槽側(cè)和輔助順槽側(cè)，布置方式如圖3，圖中圓點(diǎn)代表錨桿應(yīng)力計(jì)。

圖3 錨桿應(yīng)力計(jì)斷面布置圖（m）

從2022 年3 月6 日開(kāi)始進(jìn)行錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)半個(gè)月周期，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了圖4。從膠運(yùn)順槽側(cè)煤柱錨桿應(yīng)力受力增量圖（圖4a）可以看出，錨桿應(yīng)力增大速率最大出現(xiàn)在工作面推進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)斷面70 m 左右時(shí)，應(yīng)力增大速度在工作面推進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)斷面70～50 m 階段時(shí)，增長(zhǎng)有所緩解，后續(xù)又開(kāi)始快速增加，最終錨桿增量最大值為8.5 kN 左右。這表明在回采過(guò)程中，膠運(yùn)順槽圍巖受力較小，煤體內(nèi)部變形量較小，工作面回采對(duì)煤柱影響小。從輔運(yùn)順槽側(cè)煤柱錨桿應(yīng)力受力增量圖（圖4b）可以看出，從工作面推進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)斷面約75 m 處時(shí)，煤柱錨桿應(yīng)力開(kāi)始增加。當(dāng)工作面推進(jìn)超過(guò)監(jiān)測(cè)站時(shí)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)斷面煤柱錨桿應(yīng)力增量速率變大，這表明在回采過(guò)程中，煤柱存在運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖4 錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖

通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面來(lái)壓，得出液壓支架的工作阻力整體變化范圍較?。煌ㄟ^(guò)煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤柱變形量較小；工作面回采對(duì)煤柱影響小，表明現(xiàn)留設(shè)的18.5 m 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性很好，存在留設(shè)煤柱過(guò)大現(xiàn)象，為此進(jìn)行留設(shè)煤柱合理寬度分析。

3 留設(shè)煤柱寬度確定

（1）通過(guò)公式計(jì)算法確定留設(shè)煤柱寬度

根據(jù)燕子山煤礦地質(zhì)參數(shù)，基于SMP 準(zhǔn)則引入黏結(jié)應(yīng)力進(jìn)行煤柱寬度計(jì)算。根據(jù)煤層地質(zhì)參數(shù)以及計(jì)算公式，分別計(jì)算確定煤柱中彈性區(qū)寬度為4.4 m，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度為0.31 m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為3.18 m，即計(jì)算留設(shè)煤柱寬度的理論值為7.89 m。增設(shè)1.3 系數(shù)，即最終確定留設(shè)煤柱寬度為10.0 m。

（2）通過(guò)模型模擬確定留設(shè)煤柱寬度

通過(guò)8204 工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成資料以及相似材料模擬第二定律，采用1:200 模擬比例對(duì)埋深為171.33 m 的8204 工作面進(jìn)行模擬，如圖5 所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂偤穸葹?5.5 cm，采用該模型對(duì)8204 工作面煤層回采作業(yè)中確定留設(shè)煤柱支護(hù)下巷道圍巖穩(wěn)定性探究。

圖5 8204 工作面及上覆地質(zhì)模型圖

按照8204 工作面開(kāi)采實(shí)際長(zhǎng)度為300 m，設(shè)置模型工作面為150 cm，留設(shè)煤柱寬度為10 cm（模擬20 m），對(duì)模型的頂?shù)装暹M(jìn)行壓力傳感器設(shè)置。持續(xù)減小留設(shè)煤柱兩側(cè)的煤柱寬度，每次降低寬度為1 cm，實(shí)際寬度為2 m，同時(shí)監(jiān)測(cè)留設(shè)煤柱的支承應(yīng)力，觀察煤柱的破損情況，以此來(lái)模擬確定煤柱的合理寬度。不同留設(shè)煤柱寬度下煤柱支承應(yīng)力曲線圖如圖6 所示，模擬過(guò)程與結(jié)果為：

圖6 模擬不同煤柱寬度下煤柱支承應(yīng)力曲線圖

① 留設(shè)煤柱寬度從20 m 按照每次2 m 的速度進(jìn)行削減，當(dāng)寬度為12 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)到的煤柱支承應(yīng)力從15.53 MPa 持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，在煤柱寬度為12 m 時(shí)應(yīng)力值達(dá)到過(guò)程最大值18.74 MPa，應(yīng)力峰值平均增加量為5.2%（每削減2 m 煤柱寬度），觀測(cè)煤柱外觀完整性好，無(wú)裂隙情況出現(xiàn)，表明能夠保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

② 留設(shè)煤柱寬度從12 m 繼續(xù)按照2 m 削減，當(dāng)寬度為8 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)到的煤柱支承應(yīng)力從18.74 MPa 持續(xù)增長(zhǎng)，寬度為8 m 時(shí)應(yīng)力值達(dá)到過(guò)程最大值25.32 MPa，應(yīng)力峰值平均增加量為17.6%（每削減2 m 煤柱寬度），觀測(cè)煤柱外觀發(fā)現(xiàn)支撐煤柱表面出現(xiàn)裂隙，但裂隙數(shù)量少，且未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，保持該寬度煤柱24 h 后，未出現(xiàn)裂縫增長(zhǎng)，表明該過(guò)程寬度的煤柱應(yīng)力增長(zhǎng)快，但支承作用依然明顯。

③ 留設(shè)煤柱寬度由8 m 削減到6 m，煤柱支承應(yīng)力增長(zhǎng)到36.25 MPa，煤柱應(yīng)力峰值增長(zhǎng)率變大，觀測(cè)煤柱外觀出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，該寬度維持6 h 后，留設(shè)煤柱應(yīng)力峰值達(dá)到煤體極限，煤柱坍塌，說(shuō)明6 m 寬度煤柱支承作用無(wú)法維持巷道圍巖穩(wěn)定。

圖6 顯示的是模型模擬下不同留設(shè)煤柱寬度對(duì)應(yīng)的煤柱支承應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)。根據(jù)曲線趨勢(shì)可以看出，在煤柱寬度大于10 m 時(shí)，煤柱支承應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)增長(zhǎng)速率均勻緩慢，在小于10 m寬度后支承應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)快速增長(zhǎng)，不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)增大，因此采用10 m 留設(shè)煤柱是平衡支承效果和節(jié)約煤炭資源的合理寬度。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合監(jiān)測(cè)的工作面礦壓、煤體應(yīng)力、錨桿應(yīng)力等特征參數(shù)，基于SMP 準(zhǔn)則引入黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算煤柱寬度為：中彈性區(qū)寬度4.4 m，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度0.31 m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度3.18 m，增設(shè)1.3 系數(shù)后確定留設(shè)煤柱寬度為10.0 m。

（2）采用1:200 模擬比例對(duì)8204 工作面進(jìn)行模擬，顯示煤柱寬度從12 m 到8 m 過(guò)程，煤柱支承應(yīng)力峰值平均增加量為17.6%（每削減2 m 煤柱寬度），表面出現(xiàn)裂隙，但未貫通；煤柱寬度削減到6 m，煤柱出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，無(wú)法維持巷道圍巖穩(wěn)定。

（3）通過(guò)模型模擬不同留設(shè)煤柱寬度對(duì)應(yīng)煤柱支承應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)曲線圖看出，煤柱寬度大于10 m 時(shí)，煤柱支承應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)增長(zhǎng)速率均勻緩慢，小于10 m 寬度后支承應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)快速增長(zhǎng)，不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)增大，結(jié)合公式計(jì)算法最終確定采用10 m 留設(shè)煤柱寬度。