基于地应力测量的保护煤柱留设技术

马 伟

（山西兰花科技创业股份有限公司，山西 晋城048000）

0 引 言

地应力也称原岩应力，工程岩体开挖后天然应力得到释放，产生新的应力分布[1-2]。在煤矿工程中布置新的井田开拓方案时常需要先对井田内的地应力进行测量，基于地应力的大小和方向来布置开拓巷道和采区巷道有利于维护巷道的稳定性同时降低支护成本，可见，研究基于地应力测量结果的煤柱留设技术具有极为重要的意义[3-5]。

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿采用斜立混合开拓方式，其井田构造纲要如图1 所示，井下以+320m 水平开拓全井田，三条大巷（（中央回风大巷、中央辅助运输大巷、中央胶带输送机大巷）均布置在3#煤层底板岩层中，井田内地质构造复杂，因此地应力情况也较为复杂，为保证3#煤层的安全开采，需对其地应力进行测量。

2 地应力的测量

2.1 地应力测量技术

目前常用的地应力测量技术如图2 所示。

1）应力恢复法。应力恢复法是将已经处于应力释放状态的岩体，用千斤顶使其恢复原始应力状态，该方法可直接测读地应力，避免了计算误差，但该方法只能测已知主应力方向的二维应力。

2）应力解除法。应力解除法是在岩体上先开一个钻孔，并测量钻孔的相关数据，再采用套管在已开钻孔外钻取同心的岩芯，此时岩芯应力得到释放而产生弹性变形，可根据钻取同心岩芯前后的读数差值计算出地应力的大小和方向。

3）水压致裂法。水压致裂法是在选定的测量区域，开凿并封隔一段裸露的岩孔，用高压水流注入岩孔增压，直至钻孔破裂，根据压力和时间曲线和钻孔破裂模式来确定主应力的大小和方向。

4）地球物理方法。地球物理方法是采用光、声波、射线等技术来测量岩体的地应力，该方法具有测量速度快、受限较小，但其测量精度仍有待进一步提高。

5）地质测绘法。地质构造信息法是根据一系列的地质象限来判断地应力方向，如根据断层、褶曲、节理、裂隙等来判断；也可根据井下钻孔的破坏模式以及巷道的受力状况来进行综合判断。

2.2 地应力实测

结合玉溪煤矿现场的实际情况，经研究决定在3#煤层采用应力解除法测量其地应力，共布置3 个测点，分别位于中央回风大巷西帮的22#瓦斯抽放钻场、23#瓦斯抽放钻场、22#与23#瓦斯抽放钻场中间巷帮位置（瓦斯抽放钻场的深度约为3.5m），测点布置如图3 所示，测试钻孔施工参数见表1。

图3 地应力测点布置图

表1 地应力原位测试钻孔现场施工参数

经测定后发现在玉溪井田构造应力场中，最大主应力的方向集中在N56.21°E～N82°E 之间，平均方向为N66.16°E；倾角集中在-5.69～-0.84°之间，平均倾角为-3.16°，接近水平。最小主应力的方向集中在N8.05W～N34.49W 之间，平均方向为N24.2W；倾角集中在-7.03～-3.36°之间，平均倾角为-5.57°，接近水平。中间主应力的方向集中在N4.83W～N6.10E 之间，平均方向为N1.77E；倾角集中在-86.54～-80.94°之间，平均倾角为-83.50°，接近垂直方向。玉溪煤矿三个地应力原位测点的最大主应力与中间主应力的比值最大为1.72，最小为1.3，平均为1.56；三个地应力测点的侧压系数最大为1.28，最小为1.10，平均为1.21。

3 基于地应力测试结果的保护煤柱留设

基于地应力测试结果的保安煤柱留设涉及回采巷道护巷煤柱留设、开拓巷道护巷煤（岩）柱留设、停采线煤柱留设。

3.1 回采巷道护巷煤柱留设

由于回采工作面巷道的护巷煤（岩）柱一般要经受临近工作面的采动影响，其内部应力分布已改变，从煤柱边缘开始逐渐出现塑性破坏区，回采巷道护巷煤柱的合理宽度B 可采用式（1）计算：

式中：x1为计算得出煤柱塑性区的宽度，m；x2为巷帮锚杆(索）的长度，2.4m；x3为煤柱富余尺寸，一般取0.15～0.35。

根据玉溪煤矿3#煤层工作面的地质资料及煤岩层物理力学性能测试结果, 求解得到3#煤层回采巷道护巷煤柱的塑性区宽度为=9.4m，则回采巷道护巷煤柱的理论计算宽度为：

从理论计算分析得出玉溪煤矿3#煤层工作面回采巷道的合理护巷煤柱宽度为13.6～15.9m。但由于现场实际情况与理论计算条件存在差异，理论计算过程中未考虑煤层倾角、煤层夹矸、施工及其他复杂因素的影响，因此，具体的护巷煤柱合理宽度还需考虑支护条件及现场矿压观测结果等因素进行专项研究优化。

3.2 开拓巷道护巷煤（岩）柱留设

玉溪煤矿一采区开拓大巷按六条布置，由于开拓巷道服务时间长，且要经受两侧回采工作面多次采动影响，相邻平行巷道存在同时掘进的情况，如三条岩石开拓巷道、三条煤层开拓巷道，这些平行布置且同时掘进的巷道之间留设一定宽度的护巷煤（岩）柱。受掘进扰动影响，巷道掘进头前后一定范围煤岩层内的应力分布会发生变化。因此，为了避免掘进扰动应力相互叠加造成巷道掘进头发生片帮、冒顶等强矿压现象，两条相邻平行巷道的掘进工作面前后应当保持一定的安全错距。结合地应力测试结果，3#煤层开拓巷道护巷煤（岩）柱留设设计如下：

三条岩石开拓大巷巷道方向为N180°S，与最大主应力方向的夹角为66.16°，护巷岩柱宽40m；三条煤层开拓大巷巷道方向为N180°S，与最大主应力方向的夹角为66.16°，护巷煤柱宽40m；首采1301 工作面和接替1302 工作面各布置5 条回采巷道，其中工作面辅助运输顺槽和胶带运输顺槽平行相邻布置，工作面回风顺槽1、回采顺槽2、回采顺槽3 平行相邻布置，巷道方向为N90°E，与最大主应力方向的夹角为23.84°，护巷煤柱宽20～30m。相邻平行布置的工作面回采巷道掘进头、三条平行布置的煤层大巷（2 条瓦斯抽放巷和1 条盘区回风巷）掘进头前后至少保持50m 的安全错距；三条平行布置的岩石大巷采用机掘时相邻掘进头前后至少保持50m 的安全错距，采用炮掘时相邻掘进头前后至少保持100m 的安全错距。

3.3 停采线煤柱留设

停采线设置一般根据回采工作面超前支撑压力影响范围并考虑一定的安全系数确定，以保证采区大巷的安全稳定，同时尽可能地提高采区采出率。为了使采区巷道保护煤柱上方顶板在煤柱支撑作用下保持原有状态不变，即不受采动超前支撑压力影响，需合理设置停采线位置，达到既提高采出率，又保证采区大巷安全的工程目的。

由于玉溪煤矿为基建矿井，还未有回采实践，同时考虑大采高综采工作面超前支撑压力较大，因此结合周围同类条件矿井的成功生产经验，以及3#煤层地应力的测量结果，建议1301 首采工作面的停采线取120m。1301 工作面回采过程中，通过布置矿压观测站，掌握井田煤层地质及生产条件下大采高综采工作面超前支撑压力的影响范围，为后续其他回采工作面停采线设置提供科学可靠的依据，即兼顾保护采区大巷不受两侧回采工作面超前支撑压力影响和尽量提高采区采出率等因素，将停采线设置在超前支撑压力影响范围之外。

4 结 论

1）结合兰花科创玉溪煤矿3# 煤层地质构造复杂、地应力不易确定的特点，介绍了目前常用的地应力测量方法，并采用应力解除法对玉溪煤矿3#煤层地应力进行了实测，得到了地应力的大小、方向等参数。

2）根据地应力测量结果和玉溪煤矿的实际工程条件，对3#煤层的回采巷道护巷煤柱、开拓巷道护巷煤（岩）柱、停采线煤柱进行了留设。