厚煤层大倾角工作面煤体应力实测及煤柱合理宽度分析_张西寨.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 厚煤层大倾角工作面煤体应力实测 及煤柱合理宽度分析 张西寨， 王文林 （陕西华彬煤业股份有限公司， 陕西 咸阳 713500） 摘要 厚煤层工作面开采与一般厚度煤层开采不同， 其一次采出厚度增高， 使得上覆岩层回转 运动空间加大， 容易诱发较为剧烈的矿山压力显现。基于此， 对下沟煤矿 201 厚煤层工作面煤体 应力监测，监测结果表明工作面支承压力影响范围约在工作面前方 101 m，明显影响范围为 52.9 m， 剧烈影响范围为 32.4 m； 工作面留设 20 m 区段煤柱处于应力峰值以内， 但从回收资源 角度来看， 可以进一步缩小煤柱尺寸。根据数值模拟计算结果， 结合工作面支承压力分布规律， 工作面区段煤柱的合理尺寸为 7 m。 关键词 厚煤层； 区段煤柱； 煤体应力； 现场实测； 支承压力； 上覆岩层 中图分类号 TD323文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0168-05 Measurement of Coal Body Stress and Research on Reasonable Width of Coal Pillar in Thick Coal Seam with Large Dip Angle ZHANG Xizhai, WANG Wenlin （Shaanxi Huabin Coal Industry Co., Ltd., Xianyang 713500, China） Abstract The mining of thick coal seam is different from the mining of general thick coal seam. The thickness of the first mining is increased, which makes the space of overlying strata rotary movement increase, and it is easy to induce more intense mine pressure. Based on this, the monitoring results of the stress of the 201 thick coal seam face in Xiagou Coal Mine show that the influence range of the bearing pressure of the working face is about 101 m in front of the working face, the obvious influence range is 52.9 m, and the violent influence range is 32.4 m; at present, the coal pillar in the 20 m section of the working face is within the peak stress, but from the perspective of the recovery of resources, the size of the coal pillar can be further reduced. According to the results of numerical simulation, combined with the distribution law of supporting pressure in the working face, the reasonable size of coal pillar in the working face section is 7 m. Key words thick coal seam; section coal pillar; coal body stress; field measurement; abutment pressure; overlying strata 近几年来，厚煤层工作面综采放顶煤开采在国 内许多矿区得到普遍应用，与一般厚度煤层开采不 同，厚煤层工作面一次采出厚度增高，使得上覆岩 层回转运动空间加大，容易诱发较为剧烈的矿山压 力显现，上覆岩层在采空区及邻近工作面煤层上部 产生侧向断裂下沉，侧向煤体应力明显升高，对邻 近工作面区段煤柱及回采巷道围岩变形造成不利影 响，针对厚煤层工作侧向支承压力分布规律及煤柱 留设，许多学者进行了研究。马耀荣等分析了某矿 特厚煤层工作面侧向煤体的支承压力显现规律[1]； 王钰博揭示塔山 8206 工作面综放特厚煤层侧向煤 体的支承压力演化机理[2]； 张震等为利用电磁波 CT 探测、煤层应力监测系统分析了侧向采空区的矿山 压力动态规律[3]； 张敏为、 许永祥运用 CDEM 数值模 拟软件及相似模拟的方法分析了塔山矿特厚煤层侧 向支承压力分布规律[4-5]； 徐仁桂等分析了倾斜煤层 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.026 张西寨， 王文林.厚煤层大倾角工作面煤体应力实测及煤柱合理宽度分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 168-172.. ZHANG Xizhai, WANG Wenlin. Measurement of Coal Body Stress and Research on Reasonable Width of Coal Pillar in Thick Coal Seam with Large Dip Angle ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 168-172.移动扫码阅读 168 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 表 1应力计安装位置 Table 1Installation position of stress meters 编号位置深度/m距工作面距离/m 1运输巷5200 2运输巷8203 3运输巷11206 4运输巷14209 5运输巷17212 6运输巷20215 7运输巷5200 8运输巷8203 9运输巷11206 10运输巷14209 11运输巷17212 12运输巷20215 沿空巷道合理煤柱宽度[6]； 魏恒征等采用数值模拟 软件研究了不同宽度煤柱的受力情况[7]； 虎鹏等针 对王洼二矿 110507 工作面的实际情况设计了 6 m 煤柱 [8]； 何文瑞等探讨了侧向基本顶断裂位置， 提出 了沿空巷道联合控制技术[9]； 陈祥祺等对塔山 8204- 2 工作面区段煤柱进行了数值模拟研究[10]； 关俊红 对红山煤业 3 号煤层沿空掘巷技术进行了研究[11]； 杨俊哲等对具有冲击危险性煤层的区段煤柱进行了 分析[12]。上述研究为厚及特厚煤层侧向煤体应力分 布特征及煤柱留设方面提供了大量参考，但矿井地 质条件多种多样，对特定工作面煤柱留设仍需开展 现场监测及分析。基于此，针对下沟煤矿 ZF201 工 作面开展侧向煤体应力分布实测研究，再此基础上 确定合理的煤柱尺寸。 1工作面概况 ZF201 工作面是下沟煤矿 402 采区布置的首采 工作面， 埋深约 380 m， 其上部地表为沟谷切割的塬 梁地貌， 工作面设计走向长度为 1 068 m， 倾向 120 m， 煤层平均厚度 12.4 m， 倾角为 10～26。 采区工作 面面间保护煤柱留设 20 m， 工作面回风巷和运输巷 断面均为矩形， 尺寸分别为宽 4.4 m、 高 3.1 m 和宽 5.4 m、 高 3.1 m， 巷道断面较大。工作面采用走向长 壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。 ZF201 工作面工程平面图如图 1。 2钻孔应力计布置 在工作面回采过程中，对工作面前方未回采区 域会有应力集中影响区，应力集中程度、距离等直 接影响着超前支护的强度和距离。在工作面两煤巷 及停采线煤柱内主要通过设置钻孔应力传感器监测 支承压力和煤体应力，确定应力演化特征及围岩动 态破坏范围，得到工作面推采过程中受采动影响下 侧向支承压力的分布特征及采动扰动影响范围。 在工作面两煤巷距工作面切眼约 200 m 范围内 两侧留巷煤柱内各布置 1 个围岩应力监测测站对围 岩应力进行监测，每个测站安设 6 台钻孔应力传感 器， 监测深度分别为 5、 8、 11、 14、 17、 20 m， 孔间距 3 m， 孔径 42 mm， 两煤巷内共安设 12 台钻孔应力传 感器。钻孔应力计布置如图 2。 现场安装过程中，根据现场的情况进行了适当 调整， 具体的设备安装位置及安装明细见表 1。 3煤体支承压力观测结果 钻孔应力观测结果如图 3。时间从 2019 年 1 月 图 1ZF201 工作面工程平面图 Fig.1ZF201 working face engineering plan 图 2钻孔应力计布置 Fig.2Arrangement of borehole stress meters 169 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 表 2支承压力影响范围 Table 2Influence range of abutment pressure 编号168平均/m 开始影响范围/m10592104101 明显影响范围/m57.049.652.252.9 剧烈影响范围/m32.231.533.632.4 18 日至 3 月 3 日由图 3 的监测结果可以看出， 各个 钻孔应力计测得的为矿山压力的显现值，因此不同 应力计所测得的应力值会有所不同。 钻孔应力计安装位置距工作面较远，截止到 2019 年 3 月 28 日，工作面已推采至最近的钻孔应 力计 （1钻孔应力计） ， 部分钻孔应力值受工作面采 动影响较大，监测得到的数值明显升高。但仍有少 数钻孔应力显现出采动压力的影响。 1钻孔在距离工作面 105 m 左右时，钻孔应力 值开始上升， 但增长速度较慢， 增幅不大； 当工作面 推进至距钻孔 57 m 时， 钻孔应力值明显升高， 相比 105 m 时的 2 MPa 增大近 1 倍；而后随着工作面的 推进， 应力值进一步升高， 升高速度也越来越快， 增 幅明显； 当工作面推进至 32.2 m 时， 应力值急剧升 高，达到最大值 9.4 MPa，随着工作面的进一步推 进， 当达到钻孔位置时， 应力解除， 应力值降低。可 以看出 1钻孔受工作面超前支承压力开始作用的 距离为 105 m，受支承压力明显影响距离为 57 m， 受支承压力剧烈影响距离为 32.2 m。 6钻孔安装时距工作面 215 m，在距离工作面 92 m 左右时， 钻孔应力值开始上升， 但增长速度较 慢， 增幅不大； 当工作面推进至距钻孔 49.6 m 时， 钻 孔应力值明显升高，相比 92 m 时的 3.8 MPa 增大 1.2 倍；而后随着工作面的推进，应力值进一步升 高， 升高速度也越来越快， 增幅明显； 当工作面推进 至 31.5 m 时，应力值急剧升高，达到最大值 5.4 MPa，随着工作面的进一步推进，当达到钻孔位置 时， 应力解除， 应力值降低。 可以看出 6钻孔受工作 面超前支承压力开始作用的距离为 92 m， 受支承压 力明显影响距离为 49.6 m， 受支承压力剧烈影响距 离为 31.5 m。 8钻孔安装时距工作面 203 m，在距离工作面 104 m 左右时， 钻孔应力值开始上升， 但增长速度较 慢， 增幅不大； 当工作面推进至距钻孔 52.2 m 时， 钻 孔应力值明显升高；而后随着工作面的推进，应力 值进一步升高， 升高速度也越来越快， 增幅明显； 当 工作面推进至 33.6 m 时， 应力值急剧升高， 达到最 大值 8.1 MPa， 随着工作面的进一步推进， 当达到钻 孔位置时， 应力解除， 应力值降低。 可以看出 8钻孔 受工作面超前支承压力开始作用的距离为 104 m， 受支承压力明显影响距离为 52.2 m， 受支承压力剧 烈影响距离为 33.6 m。 2钻孔应力计在距工作面 104.2 m 时读数开始 波动， 受到了采动应力的影响； 7钻孔距工作面118.1 m 时应力值开始增大， 也受到了采动应力的影响。 综合分析各个钻孔应力计所测结果可知，部分 钻孔受到工作面采动影响较大，工作面支承压力影 响范围约在工作面前方 101 m，明显影响范围为 52.9 m，剧烈影响范围为 32.4 m。根据应力观测结 果，工作面目前留设 20 m 区段煤柱处于应力峰值 以内， 但从回收资源角度来看， 可以进一步缩小煤柱 尺寸。工作面支承压力影响范围见表 2。 4采区合理区段煤柱尺寸 区段煤柱的合理确定对于工作面及矿井的安全 高效开采具有重要意义，对于复杂地质条件下的高 应力区域开采，其合理区段煤柱尺寸的确定，需要 图 3钻孔应力观测结果 Fig.3Borehole stress observation results 170 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 6不同尺寸煤柱侧水平位移图 Fig.6Horizontal displacements of coal pillars of different sizes 图 4水平方向塑性变形图 Fig.4Horizontal plastic deation diagram 图 5材料道煤柱侧水平位移云图 Fig.5Horizontal displacement cloud map of coal pillar side 综合考虑采深、采高、支承压力分布状况等诸多影 响因素。根据下沟煤矿 201 工作面岩性综合柱状图 建立模型，模型尺寸为 200 m110 m；在分析过程 中，宏观模型条件不变，唯一改变采空区和回采巷 道之间的煤柱尺寸 分别建立煤柱尺寸为 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12 m 的共 10 个数值计算模型。 4.1采空区顶板运动的倾向影响范围 对 201 工作面及该煤层顶底板运动规律进行 数值计算， 得到的塑性变形矢量图和水平方向塑性 变形图如图 4。由塑性变形图可以看出， 模型的塑 性变形影响区域在采空区右侧 7 m 范围内最明显。 工作面采掘完成后，垂直方向应力分布呈一定规 律，垂直方向最大压应力位于采空区右侧 7 m 之 外， 煤柱 7 m 以内区域开掘材料道， 可以避开高应 力集中的影响。 4.2煤柱水平位移 变化采空区与回采巷道间的煤柱尺寸为 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12 m， 各模型煤柱侧水平方向位 移云图如图 5。 根据不同煤柱尺寸下回采巷道煤柱侧水平位移 云图， 可以得到材料道煤柱侧最大水平位移值， 绘制 的不同煤柱尺寸下最大位移曲线如图 6。 煤柱尺寸等于 7 m 时的水平位移与煤柱尺寸选 用 3～6 m 的水平位移相比，位移变化量较大。7 m 后， 随着煤柱尺寸的增大， 水平最大位移递减量相对 较小。所以选择 7 m 煤柱尺寸， 沿空掘巷不但围岩 变形较小， 容易维护， 同时可以减小煤柱损失， 具有 明显的经济价值。 5结论 1） 根据钻孔应力监测结果， 部分钻孔受到工作 面采动影响较大，工作面支承压力影响范围约在工 作面前方 101 m， 明显影响范围为 52.9 m， 剧烈影响 范围为 32.4 m。 2） 工作面目前留设 20 m 区段煤柱处于应力峰 171 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 74d.html.1-5. ［2］ 李晓东.现代煤矿电气设备自动化调度方式 ［J］ .机械 管理开发， 2016， 12 （6） 106-108. ［3］ 高鹏， 侯原亮， 刘俊杰， 等.煤矿井下防爆电气标准和 技术发展概述 ［J］ .工业自动化， 2005， 41（6） 36-39. ［4］ 何金平， 张龙.防爆电气应用现状研究 ［J］ .船电技术， 2018， 38 （8） 45-47. ［5］ 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2016 184. ［6］ 帅卫红， 刘海燕.防爆电气的发展现状及展望 ［J］ .消防 技术与产品信息， 2009 （1） 40-42. ［7］ 李绍春.我国防爆电器行业现状和展望 ［J］ .电气工业， 2008， 11 （9） 32-36． ［8］ 闫昌东.煤矿防爆电器技术现状及分析 ［J］ .电气开关， 2008 （4） 60-62. ［9］ 万邵柏.我国矿用防爆电器产品现状及其发展 ［J］ .电 气防爆， 1992 （2） 6-10. ［10］ 陈杰.煤矿防爆电气设备存在的重点问题及对策 ［J］ . 煤炭科学技术， 2010， 38 （3） 83-86. 作者简介 朱世安 （1973） ， 黑龙江齐齐哈尔人， 研究 员， 双硕士学位， 2004 年毕业于煤炭科学研究总院， 2009 年 毕业于 London South Bank University， 现任煤科集团沈阳研 究院有限公司测控分院院长， 长期从事防爆电气技术研究、 产品研发、 检测检验、 标准化等工作， 发表科技论文 10 篇， 参与撰写著作 2 部。 （收稿日期 2020-07-01； 责任编辑 李力欣） （上接第 167 页） 值以内，但从回收资源角度来看，可以进一步缩小 煤柱尺寸。 3 ） 根据数值模拟计算结果， 结合工作面支承压 力分布规律， 工作面区段煤柱的合理尺寸为 7 m。 参考文献 ［1］ 马耀荣， 杨双锁， 牛少卿， 等.不同条件特厚煤层综放 开采侧向支承压力分布特征 ［J］ .矿业研究与开发， 2017， 37 （10） 43-46. ［2］ 王钰博.特厚煤层综放工作面端部结构及侧向支承压 力演化机理 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （S1） 30-35. ［3］ 张震， 王传华， 王东攀， 等.特厚煤层综放开采采空区 侧向支承压力演化全过程实测研究 ［J］ .煤矿开采， 2017， 22 （2） 78-82. ［4］ 张敏， 甄智鑫.特厚煤层综放面侧向支承压力分布的 采厚效应 ［J］ .煤炭技术， 2016， 35 （10） 29-31. ［5］ 许永祥， 李化敏， 王开林， 等.特厚煤层综放工作面侧 向支承压力分布研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （11） 26-28. ［6］ 徐仁桂， 翟春佳， 刘丽民， 等.倾斜厚煤层沿空梯形巷 道煤柱合理宽度研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （4） 72. ［7］ 魏恒征， 谭思奇， 任旭， 等.特厚煤层区段合理煤柱宽 度留设研究 ［J］ .煤炭技术， 2020， 39 （4） 29-32. ［8］ 虎鹏.特厚煤层沿空掘巷窄煤柱留设及支护设计 ［J］ . 陕西煤炭， 2020， 39 （2） 101-104. ［9］ 何文瑞， 何富连， 陈冬冬， 等.坚硬厚基本顶特厚煤层 综放沿空掘巷煤柱宽度与围岩控制 ［J］ .采矿与安全 工程学报， 2020， 37 （2） 349-358. ［10］ 陈祥祺， 王伸， 孙浩， 等.特厚煤层综放变宽度煤柱巷 道围岩稳定性研究 ［J］ .矿业研究与开发， 2020， 40 （2） 82-87. ［11］ 关俊红.厚煤层留小煤柱托顶煤沿空掘巷支护技术 ［J］ .江西煤炭科技， 2020 （1） 160-162. ［12］ 杨俊哲， 宋桂军， 倪惠宁， 等.浅埋厚煤层综放工作面 区段留设煤柱合理尺寸研究 ［J］ .矿业研究与开发， 2019， 39 （12） 5-10. 作者简介 张西寨 （1972） ， 陕西彬县人， 高级工程师， 陕西华彬煤业股份有限公司总经理，从事煤炭开采方面的 技术与管理工作。 （收稿日期 2020-07-01； 责任编辑 朱蕾） 172