巨厚堅硬頂板伴隨沖擊地壓工作面區段煤柱穩定性評估

孫家愷

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區，100013)

厚煤層儲量十分豐富，全國厚煤層生產礦井占總數的41%，生產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準備巷道，不但造成煤炭資源浪費，在深度較大的煤層中會導致煤巖層壓力增大，引發一系列地質災害。因此，研究無煤柱(小煤柱)開采技術成為礦井實現安全高效開采的一項關鍵技術。

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

該煤礦在開采過程中采用煤柱護巷工藝，回風巷為上一工作面的輔助運輸巷，由于巷道受兩次采動影響，因此在回采過程中出現了嚴重的底鼓、變形，甚至局部出現了沖擊地壓，為此，本文采用多種手段監測該礦區段煤柱應力，對其區段煤柱寬度穩定性進行評估。

1 工程背景

回采過程中，回風巷存在嚴重的變形，并出現了強烈的動力現象。回風巷現場變形情況如圖1所示。

圖1 回風巷現場變形情況

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

結合工作面附近鉆孔柱狀圖可知，煤層直接頂為砂質泥巖，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；老頂為細粒砂巖，厚度為9.90～36.83 m，灰白色，夾薄層半堅硬—堅硬鈣質砂巖；直接底為砂質泥巖，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，半堅硬。工作面頂板屬于巨厚堅硬頂板，老頂破裂后導致側向應力集中程度較大，煤柱的寬度需要重新進行計算與設計。

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，西部緊挨311103工作面實體煤，煤層平均厚度為5.42 m，平均傾角為1.5°，區段煤柱寬度為30 m，采深超過600 m。巖層的物理力學性質參數見表1。

表1 煤巖層物理力學參數表

2 工作面采動應力監測

為了有效監測311102工作面回采期間的支承壓力，弄清超前采動應力大小及分布范圍、煤柱側向支承壓力分布規律，進而為工作面巷道支護參數優化及煤柱的合理留設提供參考依據，在311102工作面輔運巷及回風巷進行采動應力監測。

在311102工作面輔運巷煤柱側布置兩組(共8個)鉆孔應力計，其中第一組(共5個)應力計距切眼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)應力計距切眼1040 m，應力計鉆孔深度依次為5 m、8 m、11 m，孔間距為7 m。在311102工作面回風巷距切眼1130 m左右布設應力計。實體煤側布置3個應力計，實體煤側1～3號鉆孔深度依次為6 m、8 m和10 m。煤柱側布置5個應力計，1～5號鉆孔深度依次為3 m、6 m、9 m、8 m和10 m。

根據監測數據綜合分析，工作面后方500 m以外輔運巷側護巷煤柱應力基本穩定，塑性破壞區發育至6～8 m深度。8 m、9 m深度應力集中系數較大，處于應力增高區；11 m、12 m深度應力集中系數不大，這說明該深度距兩側應力峰值較遠，位于內部彈性核區；15 m深度應力集中系數較大，說明該深度位于311102工作面采空區側應力增高區內。通過以上分析可以得出，受一次采動影響穩定后，輔運巷煤柱側塑性區位于6 ～8 m深度；8～9 m深度位于輔運巷側應力增高區；11～12 m深度距兩側峰值較遠，位于內部彈性核區；15 m深度位于311102工作面采空區側應力增高區內。

工作面前方80 m回風巷煤柱8 m深度應力達到峰值，工作面前方40 m回風巷煤柱10 m深度位置應力達到峰值，工作面前方70 m回風巷實體煤側6 m深度位置應力達到峰值，實體煤側8 m、10 m深應力計由于線路被破壞，未監測到峰值。

根據以上監測結果，可得工作面后方500 m以外輔助運輸巷側護巷煤柱支承壓力分布情況，如圖3所示，工作面前方70 m回風巷兩幫煤體側向支承壓力分布情況如圖4所示。

圖3 輔運巷側護巷煤柱應力分布

圖4 回風巷兩幫應力分布

3 煤柱應力PASAT觀測及分析

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

因此，在現場開展采動影響條件下311102工作面主運巷和輔運巷之間的煤柱受力狀態的PASAT-M型探測，針對震波在煤柱內部的波速分布情況，分析煤柱應力結構，進而分析煤柱穩定性以及留設寬度的合理性，為其他工作面煤柱的留設提供參考依據。

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

圖5 PASAT-M監測方案

現場設計激發炮27次，收到的有效炮為25炮，其中第4、13炮無效。激發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，速度場的效果越準確。圖中由于探測區兩端直線密度較小，容易造成邊界效應，故分析的時候舍去。

圖6 速度線分布狀況

311102工作面主運巷和輔運巷煤柱PASAT-M便攜式微震探測結果見圖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，應力值越高。

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

圖7 主運巷和輔運巷煤柱應力場分布圖

在45～90 m煤柱范圍內，應力為典型的馬鞍形曲線，呈現兩邊高、中間低的應力狀態，說明目前煤柱尺寸30 m過于保守，可以進一步優化。當超前范圍超過90 m時，煤柱整體處于藍色區域，說明超前應力影響范圍小于90 m。該結果與鉆孔應力計觀測的結果相吻合。

4 3#聯巷位置處的煤柱應力觀測

在3#聯巷的煤柱側，共安設9個鉆孔應力計(其中8#、9#在密閉時損害)，鉆孔應力計安裝深度為10 m，高度為1.5～1.8 m。由于重點考慮靠近311102工作面的煤柱應力變化情況，因此布置鉆孔由311102運輸巷側煤柱向311103回風巷(311102輔運巷)側煤柱呈不等間隔布置，布置如圖8所示。

圖8 3#聯巷鉆孔應力計布置示意圖

從2016年1月開始安設至2016年6月，壓力記錄儀每隔30 min記錄一次各個鉆孔應力計的應力值(當變化大于0.5 MPa時自動記錄)，并自動存儲數據。因此導致應力測試數據龐大，并且在遠離工作面時，數據變化非常小，因此在分析時只針對發生變化的進行分析。數據選取的原則是：首先剔除由于測試系統可能不穩定或其他原因造成的異常數據，適當考慮數理統計，取當天監測數據的平均值。為了考慮煤柱受一次采動影響，采取監測值減去初始值的方法來進行分析(即△P-L)，更容易看到采動影響及煤柱內的應力分布情況，如圖9所示。

圖9 測點應力-距離的變化曲線圖

由圖9可以看出，煤柱內的應力先增加后減小，在1#測點(2 m)時增加，隨后應力減小，這個與之前測得結果吻合，說明在6 m附近頂板發生折斷，該段的煤柱處于小結構應力降低狀態區。隨后應力開始上升，6#測點位于13.44 m處，應力達到最高值，隨后應力減小，煤柱基本不受一次采動影響。根據圖9所反映的煤柱內應力值變化特征，可沿工作面走向將超前采動影響劃分為3個區段，各區段具體情況如下：

(1)第一區段。距工作面24 m以外區域，測點應力曲線圖趨于平穩，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。

(2)第二區段。距工作面8～24 m區域,隨工作面繼續推進，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。

(3)第三區段。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域。

為了掌握整個煤柱內部應力分布情況，在上述分析基礎上，將煤柱應力按照空間排列，由此可得煤柱內應力分布情況，如圖10所示。

圖10 煤柱內應力變化曲線

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

煤柱受一次采動影響相對較小，在整個煤柱內部，壓力分布曲線呈起伏狀態，出現兩個波峰和一個波谷。

5 結論

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

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

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

(4)根據上述分析可知，該煤礦的煤柱留設不合理，需對煤柱寬度進行優化和修改。

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