回采工作面超前應力集中范圍及程度研究

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”（高地應力、高地溫、高滲透水壓及強烈的回采擾動）的復雜應力環境下，受采動應力影響，煤巖體內部應力重新分布，內部結構發生改變，這種變化經歷了煤體的孔隙、裂隙閉合，微孔隙、裂隙產生和擴展，進而形成相互貫通的宏觀裂隙網絡，易發生失穩破壞，從而引起工作面前方煤體應力集中程度及煤體強度發生明顯變化，尤其是在高地應力、高瓦斯壓力等復雜地質環境中，更易造成煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災害。因此，確定回采工作面前方采動應力集中范圍與集中程度，對指導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工作面為典型兩側采空工作面，該回采面及巷道圍巖礦壓顯現較為強烈，應力集中區范圍大，因此選取21215兩側采空工作面開展研究。

2 回采工作面應力集中區測試方案

由于工作面超前采動影響范圍較大，一般可達百余米，設計21215工作面集中測點布置+散點布置監測方式，確保實現超前采動影響范圍全覆蓋，21215回采工作面應力集中區域影響范圍監測方案如下。

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

（2）每個測點布置1個鉆孔應力計，鉆孔直徑45 mm，孔深14 m，應力計距離底板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處的鉆孔應力計不僅可監測隨工作面采動超前段圍巖應力集中區范圍，也可實現對前4個鉆孔應力計監測數據的驗證。繪制應力與工作面超前距離間的對應規律，得出21215回采工作面的應力集中區影響范圍。21215回采工作面鉆孔應力計布置如圖1所示。

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

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

3 21215回采面集中應力分析

以3~5 d為觀測周期匯總數據，得到所有測點的全部鉆孔應力計數據，如圖2所示。

圖2 21215回采面全部鉆孔應力計數據匯總Fig.2 All borehole stress meter data summary of No.21215 Face

由全部的鉆孔應力計監測數據可見，距21215工作面56~60 m開始出現鉆孔應力計讀數升高，說明應力集中的最大影響范圍在58 m左右。距21215工作面25~56 m應力集中系數逐漸加大，應力集中程度緩慢穩定提升。當距21215工作面25 m以內時，應力集中系數增加較快，應力集中程度提升較大，鉆孔應力計讀數上升較快，一直到距離工作面7~11 m時，鉆孔應力計的讀數達到最高，說明此段距離為21215回采工作面應力集中的峰值區域，應力集中系數達到最大值；而鄰近工作面煤壁側，由于煤體處于塑性區邊緣，煤體內部破碎比較嚴重，應力傳遞效應降低，其應力數值有所減少。

圖3為21215回采面1~4號鉆孔的應力監測分布曲線。

圖3 21215回采面1~4號鉆孔應力計數據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力變化。鉆孔1、2監測線顯示應力值自工作面58.4 m左右開始緩慢增加，但速率較緩慢，總體應力集中范圍為1號鉆孔應力計顯示距工作面20 m左右應力值增加速率顯著加大，直至距工作面8 m左右到達應力峰值區；2號鉆孔應力計顯示距工作面20 m開始應力增加逐漸變快，應力峰值區距離工作面7~11 m。鉆孔3、鉆孔4應力計監測顯示自工作面前方56~60 m應力值開始增加，即應力集中區范圍至工作面前方56~60 m。應力集中系數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，應力集中系數增加速率加大，到距工作面7.3~10.1 m應力集中系數達到最大值，約1.85左右。

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

圖4 21215回采面1~4號鉆孔應力計數據匯總Fig.4 Data summary of No.1~4 borehole stress meter in No.21215 Face

4 結 論

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

（2）由于采掘工作面應力集中區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，在采掘地質生產條件發生變化時應分析其對應力集中范圍影響的正負效應，同時加強對2號煤層采掘工作面地質生產條件變化段圍巖的實時動態監測與安全管控。