回采工作面超前应力集中范围及程度研究

滕鑫麟

（冀中能源股份有限公司东庞矿，河北 邢台 054201）

1 概 况

深部地下采煤过程中，煤岩体处于“三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗透水压及强烈的回采扰动）的复杂应力环境下，受采动应力影响，煤岩体内部应力重新分布，内部结构发生改变，这种变化经历了煤体的孔隙、裂隙闭合，微孔隙、裂隙产生和扩展，进而形成相互贯通的宏观裂隙网络，易发生失稳破坏，从而引起工作面前方煤体应力集中程度及煤体强度发生明显变化，尤其是在高地应力、高瓦斯压力等复杂地质环境中，更易造成煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害。因此，确定回采工作面前方采动应力集中范围与集中程度，对指导煤矿井下工作面安全有序回采具有重要意义。

东庞矿主采2号煤层，2号煤21215工作面为典型两侧采空工作面，该回采面及巷道围岩矿压显现较为强烈，应力集中区范围大，因此选取21215两侧采空工作面开展研究。

2 回采工作面应力集中区测试方案

由于工作面超前采动影响范围较大，一般可达百余米，设计21215工作面集中测点布置+散点布置监测方式，确保实现超前采动影响范围全覆盖，21215回采工作面应力集中区域影响范围监测方案如下。

（1）在21215回采工作面轨道巷超前110 m处，每隔20 m布置1个钻孔应力计，连续布置4个测点，集中观测工作面推进时的应力集中峰值变化；之后隔80 m和165 m布置2个测点，以观测工作面应力集中区的范围。

（2）每个测点布置1个钻孔应力计，钻孔直径45 mm，孔深14 m，应力计距离底板1.2 m左右，钻孔垂直于煤壁布置。

（3）布置在超前21215工作面轨道巷250 m和415 m处的钻孔应力计不仅可监测随工作面采动超前段围岩应力集中区范围，也可实现对前4个钻孔应力计监测数据的验证。绘制应力与工作面超前距离间的对应规律，得出21215回采工作面的应力集中区影响范围。21215回采工作面钻孔应力计布置如图1所示。

图1 21215回采工作面钻孔应力计布置示意Fig.1 Layout of borehole stress meter in No.21215 Face

应力监测系统为采集式监测，总体上由钻孔应力计接收器（包括传感器、记录仪、三通阀）和数据采集器2部分组成，按照21215回采工作面实际工况定期采集数据。根据采集的数据绘制随工作面回采进程的应力与距离关系曲线，综合以上各组数据，分析确定21215回采工作面的超前采动影响范围和程度。

3 21215回采面集中应力分析

以3~5 d为观测周期汇总数据，得到所有测点的全部钻孔应力计数据，如图2所示。

图2 21215回采面全部钻孔应力计数据汇总Fig.2 All borehole stress meter data summary of No.21215 Face

由全部的钻孔应力计监测数据可见，距21215工作面56~60 m开始出现钻孔应力计读数升高，说明应力集中的最大影响范围在58 m左右。距21215工作面25~56 m应力集中系数逐渐加大，应力集中程度缓慢稳定提升。当距21215工作面25 m以内时，应力集中系数增加较快，应力集中程度提升较大，钻孔应力计读数上升较快，一直到距离工作面7~11 m时，钻孔应力计的读数达到最高，说明此段距离为21215回采工作面应力集中的峰值区域，应力集中系数达到最大值；而邻近工作面煤壁侧，由于煤体处于塑性区边缘，煤体内部破碎比较严重，应力传递效应降低，其应力数值有所减少。

图3为21215回采面1~4号钻孔的应力监测分布曲线。

图3 21215回采面1~4号钻孔应力计数据Fig.3 Data of No.1~4 borehole stress meter in No.21215 Face

钻孔1、钻孔2间距20 m，两者曲线走势大致相当，反映了工作面推进过程中的应力变化。钻孔1、2监测线显示应力值自工作面58.4 m左右开始缓慢增加，但速率较缓慢，总体应力集中范围为1号钻孔应力计显示距工作面20 m左右应力值增加速率显著加大，直至距工作面8 m左右到达应力峰值区；2号钻孔应力计显示距工作面20 m开始应力增加逐渐变快，应力峰值区距离工作面7~11 m。钻孔3、钻孔4应力计监测显示自工作面前方56~60 m应力值开始增加，即应力集中区范围至工作面前方56~60 m。应力集中系数随工作面的不断推进而逐渐增大，直至距离工作面15~25 m处，应力集中系数增加速率加大，到距工作面7.3~10.1 m应力集中系数达到最大值，约1.85左右。

为进一步确定应力集中峰值区的范围，汇总钻孔间距为20 m的1~4号钻孔应力计的读数，如图4所示。综合21215回采面1~4号钻孔应力计数值变化曲线，可以得出21215回采工作面应力集中区域范围在工作面煤壁前方56~60 m，应力集中峰值区域距离工作面煤壁7~11 m，应力集中系数为1.2~1.9。

图4 21215回采面1~4号钻孔应力计数据汇总Fig.4 Data summary of No.1~4 borehole stress meter in No.21215 Face

4 结 论

（1）采掘工作面应力集中区影响范围主要受工作面上覆基本顶破断及其活动规律、煤岩体赋存特征、煤岩体强度等多因素的综合影响，根据对2号煤层21215典型两侧采空工作面的集中应力监测结果，得到东庞矿2号煤层回采工作面超前应力集中区范围为56~60 m，应力集中峰值区位置距离煤壁7~11 m，应力集中系数约为1.2~1.9。

（2）由于采掘工作面应力集中区影响范围主要受煤层开采强度及厚度、开采深度、煤层倾角、直接顶岩层赋存特征、基本顶特征及其活动规律、工作面长度及推进速度等众多因素影响，因此，在采掘地质生产条件发生变化时应分析其对应力集中范围影响的正负效应，同时加强对2号煤层采掘工作面地质生产条件变化段围岩的实时动态监测与安全管控。