金辛达煤业综放面煤柱应力演化特征实测研究

梁向辉

（山西煤炭运销集团金辛达煤业有限公司，山西 临汾 041000）

能源赋存特征决定了我国是以煤炭作为主要能源消费的国家。 随着我国经济的发展，社会对煤炭的需求量不断增加，煤矿开采强度也随之加大，浅部、赋存条件好的煤炭资源已逐渐枯竭，煤炭开采正在向深部、复杂条件转移[1-2]。 相关数据显示，我国厚煤层煤炭储量占比达45%，针对厚煤层开采，目前主要采用综放开采技术。 综放开采具有成本低、效率高的优点。 综放面回采巷道一般沿煤层底板布置，巷道顶帮围岩均为强度较低的煤体，而相邻工作面间的回采巷道一般留设15～30 m 宽的保护煤柱，这就造成了煤炭资源较大浪费[3-5]。研究表明，工作面采空区顶板垮落后，会在煤柱上方形成侧向支承压力，侧向支承压力影响范围、峰值位置、应力集中系数等参数，是工作面间煤柱宽度设计的关键决定因素[6-7]。

以金辛达煤业11105 工作面为工程背景，进行综放面煤柱应力演化特征实测研究，为相邻工作面间护巷煤柱留设提供依据。

1 工程概况

金辛达煤业一采区11105 工作面位于井田北部，开采11 （9+10+11）#煤层。 工作面平均埋深200 m，工作面北部是实体煤 （11106 备采工作面），南部是11103 工作面采空区，东部是井田边界，西部是北辅运大巷。11（9+10+11）#煤层平均煤厚6.16 m，呈黑色，玻璃光泽，质软，性脆，断口具参差状，裂隙发育，条带状结构。 煤层直接顶为K2石灰岩，平均厚度11.45 m，灰色夹黑色，不规则，裂隙较发育；直接底为砂质泥岩，平均厚度3.0 m，黑灰色，含少量铝质及黄铁矿结核，松软；老底为K1细粒石英砂岩，平均厚度4.0 m，灰白色，以石英为主。

11105 回采工作面与邻近11106 备采工作面间留设煤柱宽度为30 m，11106 辅运顺槽已掘进完成，11105 工作面顺槽巷道沿11#煤层底板掘进。

2 综放面煤柱应力演化特征

2.1 测站布置

在11106 辅运顺槽内设置两个压力观测数据采集分站，每个观测站在煤柱内均匀安放5 个钻孔应力计，深度分别为5 m、10 m、15 m、20 m、25 m。根据11（9+10+11）#煤层工作面回采经验和现场观测分析，工作面老顶周期来压步距为80～100 m左右，为保证两个观测站至少有一个观测站能够观测到工作面老顶周期来压时煤柱的应力分布情况，故两个观测站的间距为50 m。 观测站布置如图1 所示。

图1 观测站布置

观测站位置煤层埋深200 m 左右，理论原岩应力应在4 MPa 左右，不考虑水平应力影响，故安装时应力计油囊呈上下安放，钻孔应力计的初始应力均打压至3.5～4.5 MPa，之后使其逐渐形成自然平衡。

2.2 煤柱应力分布规律

根据11105 回采工作面支架在线监测数据以及煤柱压力监测数据综合判断，工作面回采至观测站2 附近位置时发生了老顶周期来压，故以下分析煤柱应力变化规律时均以观测站2 观测到的数据为主。

观测站2 钻孔应力计统计的回采推进位置与钻孔应力计压力值的变化曲线，如图2 所示。 图中横坐标为11105 回采工作面推进位置与观测站的距离，负值表示工作面回采已推过观测站位置后观测站滞后回采位置进入后方采空区的距离。

图2 工作面推进距离与煤柱应力变化曲线

从图2 曲线走势可以看出，工作面回采推进至观测站位置前，煤柱内的应力基本上没有变化，说明工作面超前支承压力较小；工作面回采推进至观测站位置后，随着采空区老顶逐步垮落，回转岩块压覆在煤柱上方，形成采空区侧向支承压力快速增大，煤柱应力开始有明显增大趋势；回采工作面采后120 m 左右，老顶垮落岩块回转基本稳定，压力逐渐趋于平稳；回采工作面采后240 m 之后，采空区顶板垮落压实达到了稳定状态，最终压力达到7.8 MPa。

观测站2 处煤柱不同深度位置的压力分布曲线，如图3 所示。 30 m 为11105 工作面采空区位置，0 m 为临近11106 备采面辅运顺槽掘进工作面位置。 从煤柱应力分布曲线可以看出，受11105工作面采动影响，煤柱应力重新分布，采空区侧支承压力峰值位于煤柱25 m 位置，即距采空区5 m位置，应力集中系数2.2；受11106 辅运顺槽掘进影响，巷道围岩应力重新分布，应力峰值位于煤柱5 m 位置，应力集中系数1.9；煤柱10 m、20 m 位置，应力基本保持在应力计原始设置应力值没有变化。 由于应力计埋设间距为5 m，应力监测曲线显示的应力与煤柱实际应力分布会存在一定误差，所以综合分析判断，工作面采空区侧支承压力峰值位置位于距采空区5 m 左右，应力集中影响范围小于10 m。

图3 煤柱应力分布曲线

综上所述，受工作面采动影响，距11106 备采面辅运顺槽5 m （煤柱内） 位置产生应力集中现象，巷道围岩应力环境较差，同时30 m 宽的煤柱还造成了煤炭资源的很大浪费，在后期煤柱设计时可考虑窄煤柱沿空掘巷配合切顶卸压，改善巷道应力环境，同时提高煤炭回收率。

2.3 采空区顶板垮落稳定周期

11105 工作面回采至应力观测站位置起，煤柱5～25 m 处钻孔应力计观测数据随工作面推过时间的变化曲线，如图4 所示。 工作面日推进距离4～6 m。 从曲线变化趋势可以看出，工作面回采后，采空区煤层直接顶垮落，0～10 天期间工作面推进40 m，应力缓慢增加，变化速率小；10～25 天期间工作面采空区老顶逐步来压，应力快速增加，变化速率明显变大；25～40 天期间采空区老顶下沉基本稳定，采空区处于逐步压实阶段，应力增加速率逐渐变小；40～45 天之后，采空区基本达到稳定状态，煤柱应力基本达到新的平衡状态。

图4 工作面推进时间与煤柱压力变化曲线

3 结论

1）随着工作面的不断推进，煤柱应力逐渐增加并趋于稳定，超前采动影响范围内，煤柱应力变化不明显；滞后工作面后，煤柱应力迅速增加，回采工作面采后240 m 之后，煤柱应力逐渐稳定在7.8 MPa，应力集中系数2.2。

2）受回采工作面影响，采空区侧支承压力在煤柱中形成的压力峰值位于距采空区5 m 左右位置；工作面回采顶板垮落后，采空区冒落矸石逐步压实，40～45 天采空区顶板裂隙带、弯曲下沉带活动基本结束，采空区基本达到稳定状态。

3）目前金辛达煤业工作面煤柱的留设没有显著改善巷道围岩环境，较宽的煤柱还造成了煤炭资源的很大浪费。 在后期煤柱设计时可考虑窄煤柱沿空掘巷配合切顶卸压，改善巷道应力环境，同时提高煤炭回收率。