大采高综采面矿压显现规律及煤柱宽度优化研究

刘清利,王 萌

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术研究院，山西 晋城 048000)

大采高综采面矿压显现规律及煤柱宽度优化研究

刘清利,王 萌

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术研究院，山西 晋城 048000)

针对复杂地质条件下大采高综采工作面矿压显现及煤柱留设问题，以赵庄煤矿3号煤层5302工作面为研究对象，通过现场实测方法，揭示复杂地质条件下软煤层大采高开采的矿压显现规律及工作面合理煤柱宽度。研究结果表明：工作面基本顶初次来压步距为15.4～25 m，平均为21.4 m；来压期间支架平均工作阻力为5842.175 kN。基本顶周期来压呈分段局部来压，来压步距一般在5.3～13.7 m左右，平均为8.9 m；来压期间支架工作阻力平均为5588.23 kN。根据数值模拟及现场观测数据确定5302工作面合理净煤柱宽度不应小于40 m为宜。

大采高;复杂地质条件;矿压显现;煤柱宽度

0 引言

大采高综采工作面具有生产能力大、回采率高、经济效益好等特点，逐渐成为目前国内外厚煤层开采技术的首选。但是，经过矿山实践及理论研究发现，大采高综采与一般综采相比，工作面支架—围岩系统稳定性差、事故率高、矿山压力显现明显。特别是像赵庄煤矿复杂地质条件下软煤层大采高开采难度更大，目前国内外已有研究成果不足以有效指导3号煤层大采高工作面的安全高效生产。5302工作面为五盘区首个大采高综采工作面，走向长，构造多，煤质松软。为进一步摸清不同盘区大采高条件下的矿压显现规律，有必要对五盘区首采工作面的矿压显现情况进行观测，掌握不同采区大采高开采矿压显现规律，并在此基础上进行煤柱合理宽度研究。研究成果对完善复杂地质条件下软煤层大采高开采理论和技术，实现赵庄煤矿类似条件下3号煤层安全高效开采具有实际意义[ 1-5]。

1 工程概况

5302工作面位于五盘区，工作面采用四巷布置，二进二回通风方式。工作面推进长度1777 m，倾斜长为219.70 m。工作面地面标高952.1～1055.8 m，工作面煤层底板标高550～594 m。工作面煤层厚度4.2～4.7 m，平均4.6 m，煤层结构简单。煤层倾角1～15°，平均为8°。3号煤层松软，节理总体较为发育。煤层伪顶为0.95 m的砂质泥岩，直接顶为厚6.70 m的中粒砂岩，老顶为厚4.15 m的粗粒砂岩。煤层底板主要由粉砂岩组成，夹条带状细砂泥岩，厚度为8.03 m。工作面推进过程中甩掉部分构造区域，分两阶段进行回采。第一阶段撤架通道距离第一阶段切眼约969.6 m，第二阶段切眼距离第一阶段切眼约1349.6 m，第二阶段撤架通道距离第一阶段切眼约2157 m。5302工作面布置图如下图1所示。

图1 5302工作面布置图

2 5302工作面矿压显现规律分析

2.1 工作面来压特征

5302工作面采用ZYT12000/28/62型两柱掩护式液压支架，在其中11台液压支架上分别安装工作阻力检测仪。在工作面的上部、中部和下部布置五个测区，其中上、下部一个测区，中部三个测区，共计11条测线。分别为：机头5号架，工作面中部30、31、32号架，工作面中部60、61、62号架，工作面中部90、91、92号架，机尾126号架。测线布置如图2所示。

图2 工作面支架阻力测点布置图

通过对基本顶初次垮落步距和周期垮落步距的初步判定，再结合工作面来压时顶板破碎程度、煤壁片帮深度、支架活柱下缩量等矿压现象来综合判断顶板来压特征。工作面采用SL500电牵引采煤机，采用双向往返割煤法，循环进度为0.865 m。5302工作面实测各支架工作阻力随工作面推进距离变化如下图3、4所示，取其中30号、61号支架工作阻力进行说明。

图3 工作面30号支架工作阻力分布曲线图

图4 工作面61号支架工作阻力分布曲线图

2.1.1 直接顶初次垮落

工作面由于初采预爆破顶板，直接顶随工作面推移逐次垮落，工作面压力较小，煤壁片帮现象不明显。直接顶垮落期间工作面矿山压力显现不明显。

2.1.2 基本顶初次来压

式中：p′——判定顶板来压的工作阻力；

σp——支护阻力均方差。

基本顶初次来压步距为16.5～24 m，平均为20.8 m左右。来压期间支架平均工作阻力为5797.6 kN，为支架额定工作阻力(12000 kN)的48.3%。来压期间最大工作阻力为12205.8 kN，为额定工作阻力的101.72%；最小工作阻力为3000 kN，为额定阻力的25%。支架动载系数最大为2.65，最小为1.16，平均为1.96。基本顶初次来压期间，顶板岩层有断裂声响，工作面煤壁片帮较为明显，片帮主要在煤壁上部，一般深度在0.5-1.5 m之间。机头悬顶3.0～6 m左右；机尾基本垮落。

2.1.3 基本顶周期来压

基本顶周期来压呈分段局部来压，来压步距一般在7 m～12 m左右，平均为8.2 m。来压期间，支架平均工作阻力为5649.7 kN，为支架额定工作阻力(12000 kN)的47.08%，最大为12175.66 kN，为额定阻力的101.46%，最小为60.28 kN，为额定工作阻力的0.51%；支架动载系数最大为2.38，最小为1.08，平均为1.71。来压期间煤壁片帮较严重，多处片帮，片帮深度在0.5～1.5 m之间；机头悬顶3.5～6 m左右；机尾悬顶基本垮落。

2.2 超前支承压力观测

采用单体柱下接压力表对超前支撑压力进行观测，超前单体液压支柱载荷观测测点布置在53021、53022内，工作面超前支承压力观测仪器布置图如下图5所示。部分数据分析曲线如下图6～7所示。

图5 工作面超前支承压力观测仪器布置

可以看出，当测点距离工作面60 m左右时，巷道超前支承压力开始增大，当测点距离工作面40 m～60 m范围时，支柱载荷明显最大，单体支柱最大值为183 kN。之后支柱载荷开始下降，部分测点在工作面煤壁处单体支柱压力监测仪数值达到最低，最低值为7.3 kN。这主要是由于受动压影响，支柱载荷增大，突然压入底板，支柱载荷明显减小，单体液压支柱未充分发挥临时加强支护作用。

图6 1号测站支柱载荷变化图

图7 3号测站支柱载荷变化图

2.3 侧向支承压力观测

在53021和53023之间7横川处布置等距离布置16台应力传感器，钻孔深度为5 m，钻孔布置图如下图8所示。

53021、53023巷7号横川钻孔应力计侧向支承压力变化曲线如下图9所示。由图3看出侧向支承压力数据在工作面推进到60 m范围内时开始明显增大，当工作面距离7横川6 m时，在采动影响下侧向支承压力达到15.79 MPa。即7横川在距离工作面60 m左右，超前支承压力开始增大，超前支承压力峰值位于工作面前方6 m。由图3可见80 m宽煤柱总体受力特征为“马鞍型”，煤柱应力峰值位于53021巷道11 m处，峰值应力为15.79 MPa；53052巷道侧的应力峰值为6 MPa(增量值)，位于巷帮内8m处。煤柱在靠近53021巷道侧受工作面采动影响较明显，53023巷道侧向支承压力变化不明显，可见煤柱稳定。

图8 钻孔应力计观测测点布置示意图

图9 53021、53023巷7横川钻孔应力计侧向支承压力变化曲线图

3 煤柱合理尺寸研究

3.1 煤柱宽度的理论计算

护巷煤柱宽度的理论计算有按煤柱的允许应力，煤柱能承受的极限载荷，以及按煤柱应力分布等多种方法。各种方法的基本观点都认为：煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷P不超过它的极限强度R。煤柱的极限强度见下式，煤柱的宽度B计算式：

式中：R——煤柱强度，MPa；RC——煤柱原位临界立方体单轴抗压强度，MPa；B——煤柱宽度，m；h—煤柱高度，m；

5302工作面开采3号煤平均埋藏深度取432 m，工作面宽度(D)约为220 m，采空区上覆岩层垮落角取为30°，煤柱平均高度取4.6 m，上覆岩层平均容重(γ)为25 kN/m3，3号煤的平均单轴抗压强度RC取10.3 MPa。将上述参数代入式中，得B=31.5 m。考虑赵庄煤矿3号煤层复杂的地质条件，结合3号煤层复杂的地质条件，安全系数f取1.2，则实际工作状态下煤柱的留设宽度不应小于37.8 m。

3.2 区段煤柱合理尺寸数值模拟研究

利用FLAC3D数值模拟软件建立赵庄煤矿大采高采场数值模模型如图4所示。模拟按照煤柱留设尺寸分为30 m，40 m，50 m，60 m四种情况，考察不同煤柱宽度时，煤柱的垂直应力分布、塑性区分布及巷道围岩位移量，并评价煤柱稳定性，根据评价结果确定合理煤柱宽度。

图10 30 m煤柱垂直应力分布云图

图11 40 m煤柱垂直应力分布云图

图12 50 m煤柱垂直应力分布云图

由图10～13所示，当留设50 m，60 m煤柱时，煤柱集中应力在靠近采空区侧集中，垂直应力为33 MPa～34 MPa之间，巷道侧应力集中程度较低；40 m煤柱时煤柱应力呈“马鞍型”，垂直应力为33 MPa；30 m煤柱时两侧应力集中，侧向支承压力叠加，产生中央弹性核，弹性核宽度为7 m，垂直应力达到35 MPa。根据应力分布情况分析，赵庄煤矿区段煤柱尺寸应大于30 m。

综合理论分析和模拟研究的结果，赵庄煤矿区段煤柱合理尺寸应大于40 m。

4 结论

1)通过加强现场支架初撑力管理、煤壁和顶板破碎区进行超前注浆加固等措施对工作面煤壁片帮、冒顶进行治理。

2)提高锚固强度，保证锚杆(索)在动压影响下锚固结构不失效，从而有利于保持巷道围岩稳定。由于赵庄煤矿大采高回采巷道受动压影响大，变形量大，为了防止锚杆杆体或锚固端承受过度载荷而降低锚固强度，锚杆要有让压性能。

3)综合理论分析、数值模拟及现场观测数据确定5302工作面合理净煤柱宽度不应小于40m为宜。

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Studyontheregularityofpressureappearanceandthewidthofcoalpillarinthefaceofhighcoalminingface

LIU Qing-li, WANG Meng

(TechnologyInstituteofJinchengAnthraciteMiningGroup,Jincheng, 048000,China)

In view of the problems of mine pressure appearance and the coal pillar design in large mining height fully mechanized working face under complicated geological conditions, taking No. 5302 working face of No. 3 coal seam in Zhaozhuang Coal Mine as the research object, the regularity of mine pressure appearance and the reasonable coal pillar width of large mining height in soft coal seam under complicated geological conditions are presented by means of field measurement. The results show that the average working distance of the basic top of the working face is 15.4 ～ 25m, an average of 21.4m; the average working resistance of the bracket is 5842.175kN. The basic top period of the pressure is segmented partial pressure, the pressure step distance is generally about 5.3 ～ 13.7m, an average of 8.9m, the pressure of the bracket is 5588.23kN. According to the numerical simulation and field observation data, the reasonable net coal column width of 5302 working face should not be less than 40m.

large mining height; complex geological conditions; mine pressure appearance; coal pillar width

2015-02-11

刘清利(1963-)，男，山西晋城人，大学毕业，矿建高级工程师，山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术研究院副院长。

TD323

A

1672-7169(2015)02-0047-07