大采深高地應力煤層相鄰工作面煤柱留設寬度優化研究

段元帥 方 進

（山東新汶礦業集團萊蕪市萬祥礦業公司潘西煤礦，山東 萊蕪 271107）

1 工作面概況

潘西煤礦6196與6197綜采工作面之間區段煤柱設計，關系到沖擊地壓等災害防治。該區域煤層埋深平均1102.6m，煤層屬極軟煤層。礦井現有相鄰工作面煤柱大多采用12m的寬煤（巖）柱，浪費了煤炭資源，對沖擊地壓防治也沒有益處。

小煤柱護巷技術已在華東地區的低瓦斯礦井普遍應用，一般煤柱寬度3.5～4m，采用“錨、網、索”聯合支護，能夠保證工作面回采期間沿空巷道的通風、行人和運輸的需要。進行小煤柱寬度設計需考慮的因素有：（1）是否利于巷道錨網支護；（2）巷道變形是否滿足通風、行人和運輸的需要；（3）煤柱是否能夠形成貫通裂隙，致采空區有害氣體和積水滲漏；（4）是否利于采空區防火。6196與6197工作面區域瓦斯異常帶，瓦斯含量較高，其區段煤柱寬度設計除需考慮上述因素外，還必須考慮掘進和回采期間瓦斯防治問題。

2 綜采工作面側向巖層結構

通過采用理論分析、數值模擬以及現場實測等新技術，對6196工作面巖層運動規律進行了研究，為6197工作面采場控制及預防沖擊地壓等動力災害提供依據。工作面側向巖層結構如圖1所示。

3 鉆孔窺視探測

3.1 井下測點布置

本次鉆孔探測布置在6196工作面上平巷，共兩組：第一組在采動影響區域距工作面15m，共兩個鉆孔，孔距2m，孔深14m，鉆孔直徑42mm，鉆孔距底板高度約1m；第二組布置在采動影響區域外，鉆孔參數與第一組相同，如圖2所示。

圖1 沿空面側向巖層結構

圖2 鉆孔探測布置圖

3.2 鉆孔窺視結果

通過窺視得出該煤層比較完整，孔壁中裂隙較少，沒有明顯破碎和離層，從而確定了圍巖松動圈范圍。

4 工作面側向支承壓力的鉆孔應力監測

在6196工作面上進風巷、回風巷布置鉆孔應力計，實時監測工作面推采過程中側向支承壓力的變化規律，如圖3所示。

圖3 鉆孔應力計監測方案

通過對6196工作面上下兩巷進行了連續性監測得到如下結論：

（1）側向支承壓力峰值位置約為9m。

圖4為整理后的監測結果平均值，可以看到側向支承峰值位置約為9m。

（2）側向低應力區范圍約為5m。

從圖4可以看出，低應力范圍約為5m，大于5m后，側向應力迅速增加。

圖4 側向支承壓力實測結果

5 采用工程類比和數值模擬確定圍巖松動圈范圍

5.1 數值模擬確定上區段工作面外側煤柱寬度

6196工作面平均采高1.8m，最大3.3m，按極限煤層厚度考慮可以推斷工作面采空區外側區寬度約為3m。

5.2 確定區段煤柱寬度

根據理論計算及現場實測結果，綜合分析認為：合理區段煤柱寬度為5.0～8.1m，結合鉆孔應力實測結果區段煤柱選擇6m為宜。

6 微地震技術監測開采過程中的微震規律

6.1 微地震監測方案

6196工作面采用KJ551微震監測系統進行微震事件的監測。當前工作面位置到停采線距離約為100m，因此每條巷道需安裝檢波器錨桿33個，微地震監測系統安裝方案如圖5所示。

圖5 微地震監測系統平面圖

6.2 微震事件顯示情況分析

（1）工作面的持續推采，大部分微震事件都會在超前工作面較短距離內顯現。

（2）微震事件主要發生在煤層頂板中，開采過程中頂板的破壞更為嚴重，最大破裂高度為76m，大部分在煤層上方10～35m的位置，即頂板中砂巖和粉砂巖的位置，可認為正常采動條件下頂板破裂高度在35m以內。有54個微震事件發生在煤層底板中，最大破裂深度為25m，54個點破裂深度大部分位于-10～ -20m之間，即底板粉砂巖和粘土巖的位置。

（3）工作面附近覆巖微震事件在煤層頂板中的傾斜方向分布較均勻，煤層底板中的事件傾斜方向上主要分布在上巷底板附近，運輸巷處以及工作面中間部分相對較少。

（4）由微地震監測結果可以看出，上巷側向集中分布區范圍為11m，影響區范圍為71m，這與理論計算結果比較吻合。微地震事件的集中分布區內，側向支承壓力較低，集中破裂區邊緣為高應力區域。因此，沿空巷道布置在集中破裂區內比較合理。此外，考慮到巷道斷面寬度3.5m，區段煤柱寬度應以小于7.5m為宜。

7 結 論

（1）結合工程實例，分析了采場覆巖空間結構特征、首采工作面和沿空面的側向巖層結構特征，指出“沿空巷道布置在低應力區，以小煤柱與采空區隔離”最為有利。

（2）沿空巷道圍巖變形是上區段工作面采動影響、掘巷影響和本工作面采動影響綜合作用的結果。其中上區段工作面采動影響促使采空區側向巖層結構和邊沿煤體力學性質發生變化，掘巷影響促使沿空巷道圍巖承受的載荷發生顯著變化，本工作面采動影響促使沿空巷道圍巖應力環境和采空區側向巖層結構發生進一步變化。

（3）掘巷階段沿空巷道圍巖變形較小，主要發生在沿空幫，回采階段沿空巷道圍巖變形較大，進入工作面塑性區后，沿空巷道圍巖變形嚴重，沿空幫發生劈裂，煤柱寬度對沿空巷道圍巖變形有重要影響，掘巷階段沿空巷變形量隨留設煤（巖）柱寬度增大而增大，在回采階段煤柱偏小都會誘發巷道失穩。

（4）采用數值模擬、實測等方法確定了6196工作面上區段煤柱合理寬度為5～8.1m，以6m為優選方案，疏水巷外煤（巖）柱寬度14m為優選方案。