煤制油项目高效供煤工作面煤柱围岩变形规律研究

姚伟

摘要：本文针对枣泉煤矿大埋深、高地应力条件下的大采高工作面进行研究，通过现场实测、数据分析、理论分析等手段对不同尺寸护巷煤柱巷道进行了综合分析，得出枣泉煤矿大采高工作面煤柱应力分布规律及煤柱尺寸优化数据。该研究具有很強的代表性，给复杂应力环境下大采高综采工作面巷道布置提供了新的借鉴，解决了枣泉煤矿大采高综采工作面辅助运输巷道受高地应力、大采后动压影响下巷道围岩易失稳的难题，为复杂应力环境下安全、高效回采探索出了一条安全、经济、实用的技术道路，提高了回采率，节约了煤炭资源，对推动能源供给革命，实现煤制油项目可持续发展具有重要意义。

Abstract： This paper studied on the large depth and high stress of Zaoquan coal mine under the condition of the working face with large mining height， different size of coal pillar roadways are analyzed by field measurement， data analysis and theoretical analysis and other means， the coal pillar stress distribution law and the coal pillar size optimization data are obtained in the large mining height working face. The study has a strong representation， it provides a new reference for roadway layout of fully mechanized mining face with large mining height under complex stress environment， solves dynamic stability problem of the Zaoquan coal mine fully mechanized mining face roadway auxiliary transport with high pressure tunnel and after mining dynamic pressure influence. to explore a safe， economical and practical technology road for the complex stress environment.It improves the recovery rate and saves the coal resources， which has a great significance to promote the revolution of energy supply and realize the sustainable development of the project of coal to oil projects.

关键词：大采高工作面；围岩；煤柱；应力分布

Key words： large working face；surrounding rock；coal pillar；stress distribution

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0113-03

0 引言

枣泉煤矿是神华宁煤集团第一座现代化矿井，随着采煤工作面埋深的增加，受工作面采后动压及地应力影响，严重制约采煤工作面的正常推进与矿井采掘接续。因此，本文试图研究大采高工作面侧向支承压力的分布规律及其在指导下区段工作面布置以及护巷煤柱留设宽度等问题，使大采高工作面的合理布置和煤柱护巷技术得到有效解决，为矿井实现安全高效开采奠定坚实基础，为神宁集团煤制油项目提供优质的煤炭资源提供可靠保障。

1 试验巷道支护及加固形式

目前，神宁集团枣泉煤矿西翼正在回采110203工作面，采高5.5m，工作面倾斜长度275m，走向长度2850m，皮带运输巷和辅运巷之间为40m煤柱，为了研究小煤柱留巷技术，在4号联络巷和5号联络巷之间的煤柱中专门布置一条小煤柱巷道来进行小煤柱留巷技术研究，小煤柱试验巷埋深在300～400m之间，巷道为矩形断面，巷道宽度4.6m，巷道高度3.6m，分10m小煤柱段和20m小煤柱段，4号联络巷巷口距停采线约1000m，如图1所示。该小煤柱试验巷道采用锚网+钢带+锚索联合支护，如图2所示。

根据枣泉矿的生产经验以及在120203工作面小煤柱巷道的试验结果，预计10m小煤柱段裂隙会与采空区贯通，为了防止煤柱裂隙与采空区贯通后，漏风引起煤层自燃，提前对10m小煤柱段进行加固。为了验证不同加固方案的加固效果，对10m小煤柱段分两段进行加固，每段长度100m。第一段为表面喷浆段，第二段为注浆加固段，如图3示。

第一段在受采动影响前进行巷道表面喷浆，封堵裂隙，喷浆厚度100mm，喷浆材料强度等级C20，425#普通硅酸盐水泥，配比为：水泥？誜砂子？誜石子=1？誜2？誜2，水灰比0.45～0.55，速凝剂添加量为水泥用量的3%～5%。在顶板和两帮进行全断面喷浆封闭；第二段进行超前注浆，注浆加固主要在巷道10m小煤柱侧巷帮进行。为了保证注浆及时封堵裂隙加固围岩，本文采用化学加固材料进行注浆加固。小煤柱中注浆孔布置为“三花”布置，注浆孔间距控制在2m左右，注浆孔深度确定在5.0m左右。各注浆孔孔径为42mm。如图4所示。注浆顺序为先低后高。封孔及注浆方式：使用封孔器封孔，注浆段全长一次注浆。封孔深度为800mm。注浆压力：化学注浆终压2～3MPa。

2 监测方案的制定

110203工作面小煤柱试验巷不但受回采工作面超前支承压力影响和侧向支承压力影响，还受采空区范围煤柱压力影响，以及二次采动影响，巷道受力状况非常复杂，因此，本文主要对110203工作面不同煤柱尺寸试验巷道围岩变形规律进行研究，掌握围岩变形特征和锚杆受力特征。

2.1 监测内容和测站布置

主要监测内容有：巷道表面位移监测、顶板离层监测和锚杆锚索受力监测。在10m和20m煤柱巷道内各布置三个测站，测站应避开巷道交叉点等应力复杂区域。

①巷道表面位移监测。采用十字布点法安设表面位移监测断面。采用激光测距仪进行在线监测。

②顶板离层监测。采用顶板位移传感器在线监测顶板岩层锚索锚固范围内位移值。顶板位移传感器的安装方法和步骤：顶板位移传感器适合钻孔直径28mm。

③锚杆、锚索受力监测。采用MC-500B型锚索测力计监测锚杆受力，采用MC-500A型锚索测力计监测锚索受力，锚索测力计主要由测力刚体、防护盖、万向环等组成。考虑到10m煤柱巷道要进行表面喷浆，且原支护的锚杆外露较短，锚索测力计无法安装，因此，在设计监测断面位置重新打锚杆和锚索，并施加设计预紧力，锚索测力计安设在锚杆或锚索端部，如图5所示，并通过信号转换器与监测分站连接，在线监测。每个测站布置6个MC-500B型锚索测力计和1个MC-500A型锚索测力计，如图6所示。

2.2 煤柱裂隙扩展动态监测

为了掌握煤柱受采动影响后，不同煤柱位置煤体节理、裂隙发育扩展情况，在10m煤柱区和20m煤柱区巷帮各布置2个水平钻孔，2个顶板垂直钻孔，孔径28～56mm，钻孔深度7m。采用最新的数字式全景钻孔摄像系统进行监测。监测时间分三个时间段进行监测，采动影响之前为第一时间段、采动影响过程中为第二个时间段、采动影响之后为第三个时间段。

3 监测结果分析

自3月30日至8月下旬，通过对锚杆锚索受力、顶板离层与巷道表面位移5个月的连续监测，取得了大量的监测数据，分析结果如下：

10m煤柱巷道受110203工作面采动影响前后巷道表面变形较大（见图7），尤其以底鼓最严重，从井下实地观察来看，最大底鼓位置在靠近工作面一侧，整体分析情况如下：

①顶板离层分析。离层监测结果分析可知：10m煤柱巷道顶板离层在超前110203工作面25m左右，離层量开始明显增大，到滞后工作面300m左右，离层开始趋于稳定，此阶段离层量不大，浅部离层13mm，深部离层28mm，总离层量为41mm，且浅部离层明显小于深部离层，说明顶板煤岩层受力与整体性较好；滞后工作面300m以外主要是蠕变阶段，此阶段总离层量只有3mm左右。

②表面位移分析。10m煤柱段巷道自4月下旬开始长时期受工作面采动影响，巷道表面移近量随时间逐渐增大，由现场照片与离层监测结果可知，超前工作面75m左右开始受工作面超前采动影响，滞后工作面300～350m左右工作面采动影响基本结束，此阶段两帮移近量在1080mm左右，两帮平均移近速度为11.78mm/d，最大移近速度为147mm/d；底鼓量在1370mm左右，平均底鼓速度为15mm/d，最大底鼓速度为117mm/d。

滞后工作面300～350m左右以外主要是蠕变阶段，此阶段两帮移近量在50mm左右，平均移近速度为1mm/d；底鼓量在51mm左右，平均底鼓速度在1.2mm/d。

顶底板变形主要以底鼓为主，两帮变形规律与底板变形规律一致，底鼓位置靠近煤柱侧。

③锚杆锚索受力分析。

从4#、5#、6#测站超前工作面130m左右时，因受超前采动影响各测站锚杆锚索受力开始快速增大，超前工作面50m左右到滞后工作面5m左右为剧烈影响期，滞后工作面150m左右工作面采动影响基本结束，此阶段锚索受力从28kN增加到155kN。

帮锚杆受力从30kN增加到117kN，大部分已经超过杆体屈服强度（335MPa），且有少数达到破断拉力而被拉断，左帮锚杆比右帮锚杆受力变化提前30～120m。顶板锚杆受力相差不大，从20kN增加到131kN，因使用500号高强材料并未屈服。

综合分析可知：受采动影响后，围岩浅部松动圈范围有所扩展，且煤层裂隙发育破碎程度有所增长；深部煤岩体出现破裂塌孔现象。

4 小结

综合分析可知，大采高综采工作面产生的采后动压在工作面倾向方向形成了一定的应力分布，且采空区与原煤壁上方对应的岩层形成了类拱形结构，可以肯定该结构形成的侧向应力分布中存在一定的应力增高与下降区域，当探知该应力增高与下降区域规律后，即可将巷道布置在应力下降区，以此为依据优化煤柱尺寸。

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