8204,工作面力学特征分析与煤柱留设宽度优化研究
时间：2023-04-22 17:35:03 来源：千叶帆 本文已影响人
张燕鹏
（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同 037001）
燕子山煤矿钻孔柱状图显示，当前开采8204工作面埋深171.33 m，基岩总厚度为129.17 m，为侏罗系中统直罗组和延安组；
地表松散层总厚度为42.16 m， 4.62 m 的松散浅黄细沙，37.54 m 的离石组浅黄色亚黏土；
8204 工作面煤层厚度约6.2 m，采用综采一次采全高的方法。两工作面间巷道中心间距25 m，留设煤柱宽度18.5 m，工作面回采过程中出现回风顺槽片帮或网兜现象[1]。通过对工作面矿压、煤体应力、锚杆应力等特征参数监测，进行留设煤柱宽度计算和模型煤柱宽度模拟测定，探究合适煤柱宽度。
（1）工作面矿压监测
在8204 工作面采煤机机头处的支架位置、工作面中部区域支架位置以及采煤机机尾支架位置共设置三个矿压监测站[2]。通过监测数据记录统计，监测过程共经历了8 次周期来压，可计算出8204工作面基本顶周期来压时间间隔为2～3 d，周期来压步距10～20 m。对支架支护压强和来压压强进行监测，其中来压压强是8204 工作面来压周期内支架载荷大小[3]。监测结果显示，布置在工作面中间区域支架支护强度最大，且基本顶周期来压强度最高，但三处监测站的支架支护强度均大于来压强度，且工作阻力整体变化范围较小。
（2）煤体应力监测
回采作业中留设煤柱稳定可靠是关键，煤柱内部的应力特征是煤柱稳定的直接因素[4]，为此采用GZY50W 型应力监测传感器对8204 工作面留设煤柱应力进行监测。共设置三个监测站，第一个监测站与工作面距离分别为60 m，分别间隔30 m 与50 m 布置；
每个监测站布置两个断面，每个断面设置浅部测点和深部测点两个监测点位。GZY50W 型应力监测传感器采用深孔安装方式，安装孔深直径在40～45 mm 范围，孔深为4.5 m，其中浅部测点传感器安装深度为2.5 m，深部测点传感器安装深度为4.5 m。具体应力监测断面和应力传感器安装示意如图1。
GZY50W 型应力监测传感器具有无线传输功能，可以将监测到的煤柱应力数据通过无线通讯的方式传输到井下设置的KJ24-FW 矿用本安型压力监测子站。共设置两个监测子站，监测网络内的所有应力传感器信号全部归集到子站，监测子站汇总所有监测数据后上传到监测服务器。统计了8204工作面留设煤柱2022 年2 月11 日到2022 年3 月4 日工作面推进过程中三个监测站煤柱应力监测数据，形成图2。
通过图2 可以看出，8204 工作面无论是2.5 m深度的浅部测点还是4.5 m 的深部测点监测数据都显示在工作面回采推进过程中，距离监测点10 m左右时，留设煤柱应力开始发生变化，与工作面处于同一断面时应力最大增量为0.1 MPa，工作面推过后，距测站50 m 的采空区煤体应力最大增量稳定在0.5 MPa，说明一侧工作面回采时煤柱变形量较小。
图2 煤柱应力监测曲线图
（3）锚杆应力监测
煤柱留设宽度与煤柱支护作用下支护煤柱和受支护巷道围岩的受力情况有直接关系[5]，煤柱与围岩的受力特征监测采用锚杆应力计方式，监测点分别设置在煤柱两侧。具体的监测方案为：在留设煤柱距离工作面分别为40 m、70 m 和100 m 处设置受力情况监测站，每个监测站设置两个监测断面，间隔2 m，断面安装锚杆应力计，应力计安装位置分别为煤柱胶运顺槽侧和辅助顺槽侧，布置方式如图3，图中圆点代表锚杆应力计。
图3 锚杆应力计断面布置图（m）
从2022 年3 月6 日开始进行锚杆应力监测，经过半个月周期，根据监测数据绘制了图4。从胶运顺槽侧煤柱锚杆应力受力增量图（图4a）可以看出，锚杆应力增大速率最大出现在工作面推进到距离监测断面70 m 左右时，应力增大速度在工作面推进到距离监测断面70～50 m 阶段时，增长有所缓解，后续又开始快速增加，最终锚杆增量最大值为8.5 kN 左右。这表明在回采过程中，胶运顺槽围岩受力较小，煤体内部变形量较小，工作面回采对煤柱影响小。从辅运顺槽侧煤柱锚杆应力受力增量图（图4b）可以看出，从工作面推进到距离监测断面约75 m 处时，煤柱锚杆应力开始增加。当工作面推进超过监测站时，对应监测断面煤柱锚杆应力增量速率变大，这表明在回采过程中，煤柱存在运动趋势。
图4 锚杆应力监测曲线图
通过监测工作面来压，得出液压支架的工作阻力整体变化范围较小；
通过煤体应力监测发现，煤柱变形量较小；
工作面回采对煤柱影响小，表明现留设的18.5 m 区段煤柱稳定性很好，存在留设煤柱过大现象，为此进行留设煤柱合理宽度分析。
（1）通过公式计算法确定留设煤柱宽度
根据燕子山煤矿地质参数，基于SMP 准则引入黏结应力进行煤柱宽度计算。根据煤层地质参数以及计算公式，分别计算确定煤柱中弹性区宽度为4.4 m，巷道侧塑性区宽度为0.31 m，采空区侧塑性区宽度为3.18 m，即计算留设煤柱宽度的理论值为7.89 m。增设1.3 系数，即最终确定留设煤柱宽度为10.0 m。
（2）通过模型模拟确定留设煤柱宽度
通过8204 工作面地质结构组成资料以及相似材料模拟第二定律，采用1:200 模拟比例对埋深为171.33 m 的8204 工作面进行模拟，如图5 所示。试验模型总厚度为85.5 cm，采用该模型对8204 工作面煤层回采作业中确定留设煤柱支护下巷道围岩稳定性探究。
图5 8204 工作面及上覆地质模型图
按照8204 工作面开采实际长度为300 m，设置模型工作面为150 cm，留设煤柱宽度为10 cm（模拟20 m），对模型的顶底板进行压力传感器设置。持续减小留设煤柱两侧的煤柱宽度，每次降低宽度为1 cm，实际宽度为2 m，同时监测留设煤柱的支承应力，观察煤柱的破损情况，以此来模拟确定煤柱的合理宽度。不同留设煤柱宽度下煤柱支承应力曲线图如图6 所示，模拟过程与结果为：
图6 模拟不同煤柱宽度下煤柱支承应力曲线图
① 留设煤柱宽度从20 m 按照每次2 m 的速度进行削减，当宽度为12 m 时，监测到的煤柱支承应力从15.53 MPa 持续稳定增长，在煤柱宽度为12 m 时应力值达到过程最大值18.74 MPa，应力峰值平均增加量为5.2%（每削减2 m 煤柱宽度），观测煤柱外观完整性好，无裂隙情况出现，表明能够保证巷道围岩的稳定。
② 留设煤柱宽度从12 m 继续按照2 m 削减，当宽度为8 m 时，监测到的煤柱支承应力从18.74 MPa 持续增长，宽度为8 m 时应力值达到过程最大值25.32 MPa，应力峰值平均增加量为17.6%（每削减2 m 煤柱宽度），观测煤柱外观发现支撑煤柱表面出现裂隙，但裂隙数量少，且未出现贯通现象，保持该宽度煤柱24 h 后，未出现裂缝增长，表明该过程宽度的煤柱应力增长快，但支承作用依然明显。
③ 留设煤柱宽度由8 m 削减到6 m，煤柱支承应力增长到36.25 MPa，煤柱应力峰值增长率变大，观测煤柱外观出现片帮现象，该宽度维持6 h 后，留设煤柱应力峰值达到煤体极限，煤柱坍塌，说明6 m 宽度煤柱支承作用无法维持巷道围岩稳定。
图6 显示的是模型模拟下不同留设煤柱宽度对应的煤柱支承应力和应力集中系数。根据曲线趋势可以看出，在煤柱宽度大于10 m 时，煤柱支承应力和应力集中系数增长速率均匀缓慢，在小于10 m宽度后支承应力和应力集中系数快速增长，不稳定性风险增大，因此采用10 m 留设煤柱是平衡支承效果和节约煤炭资源的合理宽度。
（1）结合监测的工作面矿压、煤体应力、锚杆应力等特征参数，基于SMP 准则引入黏结应力计算煤柱宽度为：中弹性区宽度4.4 m，巷道侧塑性区宽度0.31 m，采空区侧塑性区宽度3.18 m，增设1.3 系数后确定留设煤柱宽度为10.0 m。
（2）采用1:200 模拟比例对8204 工作面进行模拟，显示煤柱宽度从12 m 到8 m 过程，煤柱支承应力峰值平均增加量为17.6%（每削减2 m 煤柱宽度），表面出现裂隙，但未贯通；
煤柱宽度削减到6 m，煤柱出现片帮现象，无法维持巷道围岩稳定。
（3）通过模型模拟不同留设煤柱宽度对应煤柱支承应力和应力集中系数曲线图看出，煤柱宽度大于10 m 时，煤柱支承应力和应力集中系数增长速率均匀缓慢，小于10 m 宽度后支承应力和应力集中系数快速增长，不稳定性风险增大，结合公式计算法最终确定采用10 m 留设煤柱宽度。
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