8204 工作面力學特征分析與煤柱留設寬度優化研究

張燕鵬

（晉能控股煤業集團燕子山礦，山西 大同 037001）

1 概況

燕子山煤礦鉆孔柱狀圖顯示，當前開采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，留設煤柱寬度18.5 m，工作面回采過程中出現回風順槽片幫或網兜現象[1]。通過對工作面礦壓、煤體應力、錨桿應力等特征參數監測，進行留設煤柱寬度計算和模型煤柱寬度模擬測定，探究合適煤柱寬度。

2 綜采工作面監測分析

（1）工作面礦壓監測

在8204 工作面采煤機機頭處的支架位置、工作面中部區域支架位置以及采煤機機尾支架位置共設置三個礦壓監測站[2]。通過監測數據記錄統計，監測過程共經歷了8 次周期來壓，可計算出8204工作面基本頂周期來壓時間間隔為2～3 d，周期來壓步距10～20 m。對支架支護壓強和來壓壓強進行監測，其中來壓壓強是8204 工作面來壓周期內支架載荷大小[3]。監測結果顯示，布置在工作面中間區域支架支護強度最大，且基本頂周期來壓強度最高，但三處監測站的支架支護強度均大于來壓強度，且工作阻力整體變化范圍較小。

（2）煤體應力監測

回采作業中留設煤柱穩定可靠是關鍵，煤柱內部的應力特征是煤柱穩定的直接因素[4]，為此采用GZY50W 型應力監測傳感器對8204 工作面留設煤柱應力進行監測。共設置三個監測站，第一個監測站與工作面距離分別為60 m，分別間隔30 m 與50 m 布置；每個監測站布置兩個斷面，每個斷面設置淺部測點和深部測點兩個監測點位。GZY50W 型應力監測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，其中淺部測點傳感器安裝深度為2.5 m，深部測點傳感器安裝深度為4.5 m。具體應力監測斷面和應力傳感器安裝示意如圖1。

GZY50W 型應力監測傳感器具有無線傳輸功能，可以將監測到的煤柱應力數據通過無線通訊的方式傳輸到井下設置的KJ24-FW 礦用本安型壓力監測子站。共設置兩個監測子站，監測網絡內的所有應力傳感器信號全部歸集到子站，監測子站匯總所有監測數據后上傳到監測服務器。統計了8204工作面留設煤柱2022 年2 月11 日到2022 年3 月4 日工作面推進過程中三個監測站煤柱應力監測數據，形成圖2。

通過圖2 可以看出，8204 工作面無論是2.5 m深度的淺部測點還是4.5 m 的深部測點監測數據都顯示在工作面回采推進過程中，距離監測點10 m左右時，留設煤柱應力開始發生變化，與工作面處于同一斷面時應力最大增量為0.1 MPa，工作面推過后，距測站50 m 的采空區煤體應力最大增量穩定在0.5 MPa，說明一側工作面回采時煤柱變形量較小。

圖2 煤柱應力監測曲線圖

（3）錨桿應力監測

煤柱留設寬度與煤柱支護作用下支護煤柱和受支護巷道圍巖的受力情況有直接關系[5]，煤柱與圍巖的受力特征監測采用錨桿應力計方式，監測點分別設置在煤柱兩側。具體的監測方案為：在留設煤柱距離工作面分別為40 m、70 m 和100 m 處設置受力情況監測站，每個監測站設置兩個監測斷面，間隔2 m，斷面安裝錨桿應力計，應力計安裝位置分別為煤柱膠運順槽側和輔助順槽側，布置方式如圖3，圖中圓點代表錨桿應力計。

圖3 錨桿應力計斷面布置圖（m）

從2022 年3 月6 日開始進行錨桿應力監測，經過半個月周期，根據監測數據繪制了圖4。從膠運順槽側煤柱錨桿應力受力增量圖（圖4a）可以看出，錨桿應力增大速率最大出現在工作面推進到距離監測斷面70 m 左右時，應力增大速度在工作面推進到距離監測斷面70～50 m 階段時，增長有所緩解，后續又開始快速增加，最終錨桿增量最大值為8.5 kN 左右。這表明在回采過程中，膠運順槽圍巖受力較小，煤體內部變形量較小，工作面回采對煤柱影響小。從輔運順槽側煤柱錨桿應力受力增量圖（圖4b）可以看出，從工作面推進到距離監測斷面約75 m 處時，煤柱錨桿應力開始增加。當工作面推進超過監測站時，對應監測斷面煤柱錨桿應力增量速率變大，這表明在回采過程中，煤柱存在運動趨勢。

圖4 錨桿應力監測曲線圖

通過監測工作面來壓，得出液壓支架的工作阻力整體變化范圍較小；通過煤體應力監測發現，煤柱變形量較小；工作面回采對煤柱影響小，表明現留設的18.5 m 區段煤柱穩定性很好，存在留設煤柱過大現象，為此進行留設煤柱合理寬度分析。

3 留設煤柱寬度確定

（1）通過公式計算法確定留設煤柱寬度

根據燕子山煤礦地質參數，基于SMP 準則引入黏結應力進行煤柱寬度計算。根據煤層地質參數以及計算公式，分別計算確定煤柱中彈性區寬度為4.4 m，巷道側塑性區寬度為0.31 m，采空區側塑性區寬度為3.18 m，即計算留設煤柱寬度的理論值為7.89 m。增設1.3 系數，即最終確定留設煤柱寬度為10.0 m。

（2）通過模型模擬確定留設煤柱寬度

通過8204 工作面地質結構組成資料以及相似材料模擬第二定律，采用1:200 模擬比例對埋深為171.33 m 的8204 工作面進行模擬，如圖5 所示。試驗模型總厚度為85.5 cm，采用該模型對8204 工作面煤層回采作業中確定留設煤柱支護下巷道圍巖穩定性探究。

圖5 8204 工作面及上覆地質模型圖

按照8204 工作面開采實際長度為300 m，設置模型工作面為150 cm，留設煤柱寬度為10 cm（模擬20 m），對模型的頂底板進行壓力傳感器設置。持續減小留設煤柱兩側的煤柱寬度，每次降低寬度為1 cm，實際寬度為2 m，同時監測留設煤柱的支承應力，觀察煤柱的破損情況，以此來模擬確定煤柱的合理寬度。不同留設煤柱寬度下煤柱支承應力曲線圖如圖6 所示，模擬過程與結果為：

圖6 模擬不同煤柱寬度下煤柱支承應力曲線圖

① 留設煤柱寬度從20 m 按照每次2 m 的速度進行削減，當寬度為12 m 時，監測到的煤柱支承應力從15.53 MPa 持續穩定增長，在煤柱寬度為12 m 時應力值達到過程最大值18.74 MPa，應力峰值平均增加量為5.2%（每削減2 m 煤柱寬度），觀測煤柱外觀完整性好，無裂隙情況出現，表明能夠保證巷道圍巖的穩定。

② 留設煤柱寬度從12 m 繼續按照2 m 削減，當寬度為8 m 時，監測到的煤柱支承應力從18.74 MPa 持續增長，寬度為8 m 時應力值達到過程最大值25.32 MPa，應力峰值平均增加量為17.6%（每削減2 m 煤柱寬度），觀測煤柱外觀發現支撐煤柱表面出現裂隙，但裂隙數量少，且未出現貫通現象，保持該寬度煤柱24 h 后，未出現裂縫增長，表明該過程寬度的煤柱應力增長快，但支承作用依然明顯。

③ 留設煤柱寬度由8 m 削減到6 m，煤柱支承應力增長到36.25 MPa，煤柱應力峰值增長率變大，觀測煤柱外觀出現片幫現象，該寬度維持6 h 后，留設煤柱應力峰值達到煤體極限，煤柱坍塌，說明6 m 寬度煤柱支承作用無法維持巷道圍巖穩定。

圖6 顯示的是模型模擬下不同留設煤柱寬度對應的煤柱支承應力和應力集中系數。根據曲線趨勢可以看出，在煤柱寬度大于10 m 時，煤柱支承應力和應力集中系數增長速率均勻緩慢，在小于10 m寬度后支承應力和應力集中系數快速增長，不穩定性風險增大，因此采用10 m 留設煤柱是平衡支承效果和節約煤炭資源的合理寬度。

4 結語

（1）結合監測的工作面礦壓、煤體應力、錨桿應力等特征參數，基于SMP 準則引入黏結應力計算煤柱寬度為：中彈性區寬度4.4 m，巷道側塑性區寬度0.31 m，采空區側塑性區寬度3.18 m，增設1.3 系數后確定留設煤柱寬度為10.0 m。

（2）采用1:200 模擬比例對8204 工作面進行模擬，顯示煤柱寬度從12 m 到8 m 過程，煤柱支承應力峰值平均增加量為17.6%（每削減2 m 煤柱寬度），表面出現裂隙，但未貫通；煤柱寬度削減到6 m，煤柱出現片幫現象，無法維持巷道圍巖穩定。

（3）通過模型模擬不同留設煤柱寬度對應煤柱支承應力和應力集中系數曲線圖看出，煤柱寬度大于10 m 時，煤柱支承應力和應力集中系數增長速率均勻緩慢，小于10 m 寬度后支承應力和應力集中系數快速增長，不穩定性風險增大，結合公式計算法最終確定采用10 m 留設煤柱寬度。