长壁间歇式开采区煤柱应力监测方法与稳定性分析*

王振华，白如鸿，杨文清

(1.榆林市杨伙盘煤矿，陕西神木719316;2.陕西南梁矿业有限公司，陕西 神木719316)

0 引言

神府矿区浅埋煤层矿山压力显现剧烈［1－3］，工作面支护阻力大。对于该区的地方小矿，无论是采用传统的房柱式开采方法［4－5］，还是采5米留5米的长壁煤柱支撑开采方法，不仅煤炭的采出率很低，还具有顶板大面积陷落等灾变危险，严重威胁矿井安全生产与从业人员安全。为此，一些地方小型煤矿曾改用单体支柱长壁式采煤方法，但因单体支柱支护强度不够，在顶板来压时不能有效的控制顶板，工作面出现台阶切落，支柱被“压死”，单体支柱长壁采煤方法不得不很快“下马”。

杨伙盘煤矿原设计为0.3 Mt/a的中型煤矿，设计采煤方法为高档普采，1995年开工建设，由于资金不足等原因，1998年投产时只移交了一个30101长壁炮采工作面。在30101工作面推采了40 m，初次来压之前暂停推采，总结了原哈拉沟煤矿等周边类似工作面失败的教训，在调研和分析了类似地质条件长壁工作面初次来压步距的基础上，杨伙盘煤矿提出并实践了“长壁间歇式”开采方法，即工作面长壁布置间隔推进，也就是工作面每推进一定长度，根据需要留一定宽度的煤柱［6］，在工作面来压之前，工作面整体搬家到新开切眼再继续推进，从而避开初次来压。1998年，通过30101工作面采用采50 m留10 m煤柱的区段性生产实践，工作面推采了240 m(4个区段)未发生任何安全问题，该采煤方法取得了初步成功。2005年杨伙盘煤矿恢复生产后及在毗邻的南梁煤矿的应用，进一步明确了工作面推进的合理长度(50 m)、留设煤柱的合理宽度(6～15 m)。同时与西安科技大学合作，采用数值模拟、相似模拟、现场矿压观测等方法，系统研究了长壁间歇式开采矿压显现规律［7－9］。该方法既不同于房柱式开采方法又不同于长壁开采方法，因工作面不是连续推进，称为“间歇式”采煤方法，不仅采出率比其他中小煤矿高，而且煤矿安全状况得到根本好转。杨伙盘煤矿从2006年以来连续技改，2012年达到了2.40 Mt/a规模，2014年核定生产能力为4.0 Mt/a.

为了合理留设间歇式采煤的煤柱，在确保煤矿安全的条件下，提高资源回采率，必须对煤柱的应力进行监测，研究煤柱应力分布状态，确定了最小煤柱尺寸。文中研究了煤柱应力监测方法，探讨了监测结果在煤柱稳定性分析中的应用。

1 临时煤柱和隔离煤柱应力监测

1.1 临时煤柱与隔离煤柱的作用与设计

长壁间歇式开采方法防止顶板大面积垮落就要实现小面积无灾害垮落，小面积无灾害垮落就是将顶板垮落限定在不造成灾害的较小范围内。而实现小面积无灾害垮落的关键技术是在采空区内留设2种不同煤柱，即临时煤柱和隔离煤柱，如图1所示。

图1 间隔开采方法隔离煤柱与每2条临时煤柱相间布置Fig.1 Alternate layout of interval coal pillar and every two temporary pillar when mining at intermission

临时煤柱的作用有二个，一是1，2和3号开采段开采时保证顶板不发生初次垮落;二是4号开采段之后开采时保证1，2和3号开采段的顶板垮落，因此从设计角度讲，临时煤柱比屈服煤柱要求更高。

隔离煤柱承载能力始终大于顶板所施加的集中载荷，其作用是在1，2和3号开采段顶板垮落时保证垮落只限定在1，2和3号开采段内，不影响正在开采的工作面，这就是小面积无灾害垮落的概念。为了确保煤柱稳定性，监测了煤柱的应力分布，为合理留设煤柱尺寸提供了技术参数。

能否实现小面积的无灾害垮落关键是确定合理的煤柱尺寸，特别是隔离煤柱尺寸。为此目的专门进行了隔离煤柱应力监测。

1.2 监测的目的和任务

1.2.1 监测的主要目的

1 )观测分析顶板下沉量及顶板下沉速度，监测已经形成的采空区动态变化;

2 )监测煤柱受力的变化，反馈煤柱的变形和破坏特征;

3 )通过监测对矿井的顶板灾害进行预测预警，采取合理的措施预防和减小灾害的危害程度。

1.2.2 监测的主要内容

1 )采空区顶板的下沉量和下沉速度与附近开采工作面推进距离和推进速度关系;

2 )采空区顶板下沉以及顶板的下沉速度与时间的关系;

3 )煤柱受力状态与时间的关系，特别临时煤柱蠕变特征;

4 )分析采空区顶板的动态变化规律，分析煤柱的变形破坏规律;

5 )监测选择20111工作面。

1.3 监测工作面煤层赋存特征

20111工作面覆盖层厚度平均为125 m，其中基岩厚度最大49 m，最薄36 m，平均厚度46 m;煤层覆盖层厚度直接影响煤柱上的载荷，根据覆盖层条件，20111可分别代表南梁矿区典型的厚覆盖层和薄覆盖层条件。

与20111工作面相邻的20109，20113工作面已采完。工作面附件有 N2，N3，N10，N12，P19等 5 个钻孔。20111工作面位置如图2所示。

图2 南梁煤矿20111工作面位置Fig.2 2011 working face location of Nanliang coal mine

1.4 20111工作面开采技术条件

20111间隔长壁工作面对拉布置，工作面顺槽间护巷(区段隔离)煤柱实际宽17 m，工作面长度160 m，推进长度1 800 m，采高2.05 m，爆破落煤，采用全部垮落法管理顶板。工作面选用DZ25型单体液压支柱，HDJA－1000金属铰接顶梁;排距1.0 m，柱距0.6 m;人工分段分组回顶，见四回一，三、四排控顶，最大控顶距为4.2 m，最小控顶距为3.2 m;循环进度 1.0 m，每日3 循环。

2 应力监测的测站布置

2.1 测站位置

虽然设计间隔工作面推进50 m留设临时煤柱或隔离煤柱，但实际上留设煤柱尺寸与设计有一定差异，如20113工作面煤柱最大宽度24.6 m，最小为6.9 m;20109工作面煤柱最大宽度14.8 m，最小为6.4 m.

2.1.1 区段隔离煤柱测站位置

在20113和20111工作面间区段隔离(护巷)煤柱17 m.

由于20111工作面两侧分别为20113和20109工作面的采空区，为了使监测站尽量利用原有的巷道，因此将测站布置在20111工作面与20113工作面间的联络巷中。此外各工作面都有施工巷，以进风大巷一侧为始点，各施工巷具体位置为

第1条施工巷距离进风大巷边界煤柱283.7 m;

第2条施工巷距离第1条施工巷179.9 m，距停采线 463.6 m;

第3条施工巷距离第2条施工巷184.3 m;距停采线 647.9 m;

第4条施工巷距离第3条施工巷183.7 m;距停采线 831.6 m;

第5条施工巷距离第4条施工巷120.7 m;距停采线 952.3 m;

第6条施工巷距离第5条施工巷298.5 m;距停采线1250.8 m.

在20113工作面采空区与20111工作面间隔离煤柱设计3个测站，根据各施工巷位置，将测站尽量设置在工作面走向长度的中部，从进风大巷一侧开始，3个测站13－2，13－3和13－4分别设置在第2，3，4条施工巷中。

13－2，13－3，13－4测站距停采线距离分别为 463.6，647.9 和831.6 m，监测区覆盖层厚度为70～135 m，基岩厚度36～49 m，基本上代表了南梁煤矿厚覆盖层和薄覆盖层条件。

2.1.2 工作面煤柱测站位置

工作面采用隔离和临时煤柱相间布置方案后，实现小面积无灾害垮落关键是临时煤柱能否达到设计的目的。监测点将以临时煤柱为中心布置，工作面开采时，首先选择第 1，2，3，4，5，6 开采段运输顺槽附近的临时煤柱和其间的隔离煤柱为监测区;之后在工作面推进到中部时，以同样的方式选择相应临时煤柱和其间的隔离煤柱为监测区。以20111工作面为例，分别在运输顺槽附近的临时煤柱各布置2个测站:LS1，LS2，LS3和 LS4，在隔离煤柱布置2个测站:GL1，GL2(图3)。

图3 隔离和临时煤柱测站位置Fig.3 Monition location of interval and temporary coal pillar

2.2 测站布置

每个测站布置一台顶板位移传感器和一台顶板压力传感器。以区段煤柱为例，沿着测点布置的联络巷做剖面图，可以得到测点在巷道里面的具体布置，测点距离20111进风巷5 m，底板1 m，深入煤柱2 m.其布置如图4所示。

图4 测点剖面布置图(单位:m)Fig.4 Measuring point profile layout(unit:m)

3 应力监测结果及分析

第一阶段监测区段隔离煤柱，第二阶段监测工作面临时煤柱和隔离煤柱，目前只进行了第一阶段区段隔离煤柱的监测。

由于工作面长度为160 m，即区段隔离煤柱间距为160 m，而按工作面中隔离煤柱与2条临时煤柱相间布置方案，间隔开采工作面2相邻隔离煤柱间距为162 m，两者间距相当，区段隔离煤柱实际宽17 m，工作面隔离煤柱设计宽15 m，两者尺寸也相当，因此第一阶段区段隔离煤柱的监测结果也能说明工作面隔离煤柱的稳定性。隔离煤柱测点观测从3月21日开采，此时工作面距离停采线1 383 m，到9月1日本次采集数据时，工作面推进到距离停采线865 m处，工作面总共推进了518 m.

3.1 13－4测站应力

图5是13－4测站应力与工作面推进时间之间的关系，从图中可以看出，当工作面开采后，其应力开始缓慢增加，到5月21号时，其应力增加幅度较大，但应力变化值较小，直到6月11号时，应力变化突然增加，在6月19号达到最大值，但也仅为4.8 MPa.工作面推过后，7月5号应力缓慢降低。

图5 13－4测站应力变化与时间的关系Fig.5 Relationship of stress change and time in observation station

图6是13－4测站应力与工作面推进距离的关系，从图中可以看出，压力传感器安设时预应力为0.3 MPa，之后应力随着工作面的推进缓慢增大。测站距工作面150 m时，应力达到了最大值4.8 MPa;之后缓慢下降，一直到本次采集数据时，测站到工作面后方近100 m时应力为2.5 MPa左右。

图6 13－4测站应力与工作面距离关系Fig.6 Relationship of stress change and working face distance in observation station

3.2 13－3测站应力

图7为测站13－3应力与工作面距离的关系，从图中可以看出，应力基本上维持在4 MPa左右。到本次采集数据时，工作面尚距13－3测站约30 m，因为工作面未推过13－3测站，应力曲线尚不具备使用价值。13－2测站距工作面更远，无使用价值，这里不再论述。

图7 13－3测站应力与工作面距离关系Fig.7 Relationship of stress change and working face distance in observation station

3.3 隔离煤柱稳定性分析

隔离煤柱安全性是保证顶板稳定的重要参数［10－11］，只有13－4测站采集的数据反映了测站在工作面前与后时煤柱应力变化，故以此测站分析隔离煤柱稳定性。由于测站应力仅反映煤柱在工作面推进过程中的应力变化，也就是说，当13－4测站距工作面150 m时，此处的煤柱应力比原来增大了4.5 MPa，当13－4测站到工作面后方近100 m时，煤柱应力比原来增大了2.2 MPa，根据一般矿压理论，工作面继续推进，工作面后方煤柱应力增大值不会有大的变化。

根据图5和6，13－4测站覆盖层厚度115 m，其中基岩厚度41 m，土层74 m，计算的原岩应力为3.1 MPa.因为13－4测站距20113采空区12 m，设20113工作面开采时对13－4测站处煤柱影响与20111工作面相同(实际上一侧开采时影响小)，即同样应力增大了4.5 MPa，之后又下降到2.2 MPa，则20113工作面开采后13－4测站处煤柱应力为原岩应力3.1与2.2之和5.3 MPa，故在20111工作面推进过程中，煤柱在测站处的应力约为 9.8 MPa.

南梁煤矿采用长壁间隔开采方法已采完9个工作面，采空区面积达130万m2左右时，经探测采空区地面出现沉陷坑，说明采空区顶板已垮落，但没有发生大面积垮落事故。由于间隔工作面留设煤柱实际宽度最小为6.4 m，最大24.6 m，基本满足临时煤柱和隔离煤柱尺寸和匹配设计的要求，因此，南梁煤矿间歇式开采实现了顶板小面积无灾害垮落。

4 结论

1 )隔离煤柱上承载的应力随着工作面的推进总体表现为先缓慢增加，再快速增大，距测站距工作面150 m时，应力达到了最大值4.8 MPa;之后缓慢下降、趋于稳定的变化趋势。

2 )在实际生产的过程中，隔离煤柱的实际宽度最小为6.4 m，最大24.6 m，且在已有的观测现象中并未发生顶板大面积垮落等灾害事故;

3 )间歇式采煤的过程中，隔离煤柱的合理留设能够基本控制浅埋煤层矿压显现剧烈等矿压问题，为间歇式采煤提供可靠的安全保障。

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