大采深高地應(yīng)力煤層相鄰工作面煤柱留設(shè)寬度優(yōu)化研究

段元帥 方 進

（山東新汶礦業(yè)集團萊蕪市萬祥礦業(yè)公司潘西煤礦，山東 萊蕪 271107）

1 工作面概況

潘西煤礦6196與6197綜采工作面之間區(qū)段煤柱設(shè)計，關(guān)系到?jīng)_擊地壓等災(zāi)害防治。該區(qū)域煤層埋深平均1102.6m，煤層屬極軟煤層。礦井現(xiàn)有相鄰工作面煤柱大多采用12m的寬煤（巖）柱，浪費了煤炭資源，對沖擊地壓防治也沒有益處。

小煤柱護巷技術(shù)已在華東地區(qū)的低瓦斯礦井普遍應(yīng)用，一般煤柱寬度3.5～4m，采用“錨、網(wǎng)、索”聯(lián)合支護，能夠保證工作面回采期間沿空巷道的通風(fēng)、行人和運輸?shù)男枰＿M行小煤柱寬度設(shè)計需考慮的因素有：（1）是否利于巷道錨網(wǎng)支護；（2）巷道變形是否滿足通風(fēng)、行人和運輸?shù)男枰?；?）煤柱是否能夠形成貫通裂隙，致采空區(qū)有害氣體和積水滲漏；（4）是否利于采空區(qū)防火。6196與6197工作面區(qū)域瓦斯異常帶，瓦斯含量較高，其區(qū)段煤柱寬度設(shè)計除需考慮上述因素外，還必須考慮掘進和回采期間瓦斯防治問題。

2 綜采工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)

通過采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測等新技術(shù)，對6196工作面巖層運動規(guī)律進行了研究，為6197工作面采場控制及預(yù)防沖擊地壓等動力災(zāi)害提供依據(jù)。工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 鉆孔窺視探測

3.1 井下測點布置

本次鉆孔探測布置在6196工作面上平巷，共兩組：第一組在采動影響區(qū)域距工作面15m，共兩個鉆孔，孔距2m，孔深14m，鉆孔直徑42mm，鉆孔距底板高度約1m；第二組布置在采動影響區(qū)域外，鉆孔參數(shù)與第一組相同，如圖2所示。

圖1 沿空面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)

圖2 鉆孔探測布置圖

3.2 鉆孔窺視結(jié)果

通過窺視得出該煤層比較完整，孔壁中裂隙較少，沒有明顯破碎和離層，從而確定了圍巖松動圈范圍。

4 工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ你@孔應(yīng)力監(jiān)測

在6196工作面上進風(fēng)巷、回風(fēng)巷布置鉆孔應(yīng)力計，實時監(jiān)測工作面推采過程中側(cè)向支承壓力的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測方案

通過對6196工作面上下兩巷進行了連續(xù)性監(jiān)測得到如下結(jié)論：

（1）側(cè)向支承壓力峰值位置約為9m。

圖4為整理后的監(jiān)測結(jié)果平均值，可以看到側(cè)向支承峰值位置約為9m。

（2）側(cè)向低應(yīng)力區(qū)范圍約為5m。

從圖4可以看出，低應(yīng)力范圍約為5m，大于5m后，側(cè)向應(yīng)力迅速增加。

圖4 側(cè)向支承壓力實測結(jié)果

5 采用工程類比和數(shù)值模擬確定圍巖松動圈范圍

5.1 數(shù)值模擬確定上區(qū)段工作面外側(cè)煤柱寬度

6196工作面平均采高1.8m，最大3.3m，按極限煤層厚度考慮可以推斷工作面采空區(qū)外側(cè)區(qū)寬度約為3m。

5.2 確定區(qū)段煤柱寬度

根據(jù)理論計算及現(xiàn)場實測結(jié)果，綜合分析認(rèn)為：合理區(qū)段煤柱寬度為5.0～8.1m，結(jié)合鉆孔應(yīng)力實測結(jié)果區(qū)段煤柱選擇6m為宜。

6 微地震技術(shù)監(jiān)測開采過程中的微震規(guī)律

6.1 微地震監(jiān)測方案

6196工作面采用KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)進行微震事件的監(jiān)測。當(dāng)前工作面位置到停采線距離約為100m，因此每條巷道需安裝檢波器錨桿33個，微地震監(jiān)測系統(tǒng)安裝方案如圖5所示。

圖5 微地震監(jiān)測系統(tǒng)平面圖

6.2 微震事件顯示情況分析

（1）工作面的持續(xù)推采，大部分微震事件都會在超前工作面較短距離內(nèi)顯現(xiàn)。

（2）微震事件主要發(fā)生在煤層頂板中，開采過程中頂板的破壞更為嚴(yán)重，最大破裂高度為76m，大部分在煤層上方10～35m的位置，即頂板中砂巖和粉砂巖的位置，可認(rèn)為正常采動條件下頂板破裂高度在35m以內(nèi)。有54個微震事件發(fā)生在煤層底板中，最大破裂深度為25m，54個點破裂深度大部分位于-10～ -20m之間，即底板粉砂巖和粘土巖的位置。

（3）工作面附近覆巖微震事件在煤層頂板中的傾斜方向分布較均勻，煤層底板中的事件傾斜方向上主要分布在上巷底板附近，運輸巷處以及工作面中間部分相對較少。

（4）由微地震監(jiān)測結(jié)果可以看出，上巷側(cè)向集中分布區(qū)范圍為11m，影響區(qū)范圍為71m，這與理論計算結(jié)果比較吻合。微地震事件的集中分布區(qū)內(nèi)，側(cè)向支承壓力較低，集中破裂區(qū)邊緣為高應(yīng)力區(qū)域。因此，沿空巷道布置在集中破裂區(qū)內(nèi)比較合理。此外，考慮到巷道斷面寬度3.5m，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)以小于7.5m為宜。

7 結(jié) 論

（1）結(jié)合工程實例，分析了采場覆巖空間結(jié)構(gòu)特征、首采工作面和沿空面的側(cè)向巖層結(jié)構(gòu)特征，指出“沿空巷道布置在低應(yīng)力區(qū)，以小煤柱與采空區(qū)隔離”最為有利。

（2）沿空巷道圍巖變形是上區(qū)段工作面采動影響、掘巷影響和本工作面采動影響綜合作用的結(jié)果。其中上區(qū)段工作面采動影響促使采空區(qū)側(cè)向巖層結(jié)構(gòu)和邊沿煤體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，掘巷影響促使沿空巷道圍巖承受的載荷發(fā)生顯著變化，本工作面采動影響促使沿空巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境和采空區(qū)側(cè)向巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生進一步變化。

（3）掘巷階段沿空巷道圍巖變形較小，主要發(fā)生在沿空幫，回采階段沿空巷道圍巖變形較大，進入工作面塑性區(qū)后，沿空巷道圍巖變形嚴(yán)重，沿空幫發(fā)生劈裂，煤柱寬度對沿空巷道圍巖變形有重要影響，掘巷階段沿空巷變形量隨留設(shè)煤（巖）柱寬度增大而增大，在回采階段煤柱偏小都會誘發(fā)巷道失穩(wěn)。

（4）采用數(shù)值模擬、實測等方法確定了6196工作面上區(qū)段煤柱合理寬度為5～8.1m，以6m為優(yōu)選方案，疏水巷外煤（巖）柱寬度14m為優(yōu)選方案。