综放小煤柱工作面矿压显现规律研究

马国英

(同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000)

我国多数矿井在建井初期往往采用跳采方式，形成孤岛工作面与边角残余煤体，导致工作面在回采过程中上覆岩层应力集中度高，对工作面持续安全、高效开采造成较大影响[1-2]。

小煤柱综放孤岛工作面开采矿山压力理论研究方面尚处于基础阶段，只是利用现有的综放采场矿山压力理论进行相关问题的分析和解释[3-6]。本文以同煤大唐塔山煤矿8204-2 工作面为工程背景，通过分析工作面回采期间强矿压主控因素和矿压显现规律，从中掌握小煤柱综放孤岛工作面回采矿压显现规律和特征，为后续类似小煤柱综放工作面回采矿压控制和支护参数设计提供理论指导和技术支持。

1 工作面概况

8204-2 工作面位于井田的东南部、二盘区的东北部，东邻8202 采空区，西南为8204 采空区，西北部为F13810 断层，东南部为二盘区回风巷。工作面开采煤层为3～5#层，煤层平均厚度15.21m，煤层倾角1～5°，地面标高1471.4～1573.2m，工作面标高979～1032m，可采走向长1600m，倾向146～209m，采用综合机械化低位放顶煤采煤法，全部垮落法处理采空区。

2 强矿压危险因素分析

针对8204-2 工作面特殊地质赋存条件，分别从地质和开采技术因素两方面对各主控影响因素进行危险性分析。

2.1 地质影响因素分析

（1）地质构造。工作面两顺槽巷在掘进过程中共揭露正断层21 条。其中2204-2 巷揭露14 条正断层，落差在0.1～5.8m 之间，落差大于3m 的断层有1 条。5204-2 巷揭露7 条正断层，落差在0.3～4.1m之间，落差大于3m 的有2 条，如图1 所示。当掘进工作面推进至断层附近时，工作面和断层间煤体应力集中引起断层附近顶板的剧烈运动，释放大量能量，导致巷道严重变形，给人员和设备造成安全风险。

图1 工作面断层分布图

（2）煤层厚度及其变化。3～5#层为稳定可采煤层，煤层走向近似东西，属于南高北低的单斜构造，倾角1～3°，平均2°，可利用厚度11.88～22.26m，平均厚度15.21m，如图2（a）。沿工作面走向，煤层厚度整体变化表现由厚变薄，再变厚，其中5204-2 巷侧煤厚变化程度要大于2204-2巷。据相关统计分析，矿压显现程度与煤层厚度及其变化紧密相关，在煤层厚度突然变薄或者变厚处，往往伴随着强矿压显现，图2（b）为工作面煤厚相对均值变化图。

图2 工作面煤厚分布及煤厚变化图

（3）留底煤厚度。8204-2 工作面煤层厚度大，整体受F13810 大断层切割，且局部发育有较多的小断层，因此，巷道掘进留底煤情况普遍，且局部底煤厚度较大。在工作面回采过程中，当巷道两侧的高集中应力传递到底煤区域时，将形成高应力集中区，在采动应力影响下，巷道底板的平衡状态被打破，此时易诱发强矿压显现。图3 为工作面两巷留底煤厚度图。

图3 工作面两巷留底煤厚度图

2.2 开采技术影响因素分析

（1）工作面布局。8204-2 工作面由“里面”和“外面”两个面组成，成“刀把子”状。“里面”倾向长度146m，走向长1096m；“外面”倾向长209m，走向长404m。由于工作面布局不合理，当工作面回采至“刀把”位置时受超前支承压力影响，采场及巷道发生应力集中，导致上覆岩层发生不对称性破断，诱发强矿压显现。同理，受相邻采空区影响，当工作面回采至临空拐角煤柱前后区域时，受采空区侧向支承压力和采动应力叠加影响，煤岩体应力集中程度较高，易诱发强矿压显现。

（2）区段煤柱宽度。2204-2 与相邻8202 采空区留设8m 的隔离煤柱，采用小煤柱护巷技术。5204-2 巷临空侧煤柱宽度为6～71m，由于煤柱形状不规则且煤柱尺寸较大，在两侧采空条件下，在煤柱内部将形成弹性核，在高静载和采动动载的双重作用下，局部煤岩结构失稳极易引发煤柱整体发生剪切失稳破坏，进而诱发5204-2 巷强矿压显现。

（3）上覆岩运动。通常认为，工作面基本顶的初次垮落和“见方”期间工作面压力会急剧升高，采空区上覆顶板稳定性显著减弱，岩层断裂，运动加剧，发生强矿压危险的可能性会显著升高。参照同煤层矿压资料，采用综合类比法预计本工作面基本顶的初次来压步距为40m，“里面”见方位置为采位146m，“外面”见方位置为采位209m。

3 矿压显现规律分析

工作面回采过程中，2204-2 巷在实煤区回采阶段无明显强矿压显现，在临空回采后，尤其在过中部落差5.8m 断层及小断层群期间，矿压显现强烈。因此在2204-2 巷采位540～1350m 布置监测点，对巷道顶底板移近量进行监测，测点间距10m；在5204-2 巷采位930～1350m 布置测点进行监测。工作面两巷测线布置如图4，图5 为回采期间两巷及中切巷顶底板移近量峰值变化曲线图。

图4 工作面两巷测线布置图

图5 回采期间两巷及中切巷顶底板移近量变化曲线图

由图5（a）可知，2204-2 巷在回采550～780m期间顶底板移近量峰值普遍偏高，且变化速率较快，最大变形量达1.6m，且回采过程中常伴有强矿震发生，与强矿压危险区域划分结果具有很强的一致性。表明在此期间受落差5.8m 断层及小断层群影响强烈，顶板煤岩层稳定性较差。随工作面继续回采变形量基本稳定在0.3～0.9m，在局部过断层和漏顶期间移近量会有所增大，相对前期回采危险性均有明显减弱。表明采用8m 小煤柱沿空掘巷技术对塔山煤矿特厚煤层综放工作面开采具有较好的适用性。

由图5（b）可知，工作面在过第一个不规则煤柱(采位930～1080m)期间5204-2 巷变形量基本在0.6～1.3m 之间，回采期间巷道顶板下沉较大，局部底鼓达0.5m。表明临空侧变化煤柱对5204-2 巷强矿压显现起主要控制作用。在回采后期变形量稳定在0.2～0.9m，只有在过小断层或局部漏顶期间变形量会有所升高。表明后期临空变化煤柱宽度在增加到一定程度后对巷道顶板维护起到了控制作用。工作面在回采第二个变化煤柱期间巷道变形规律与第一个相类似，受面宽和地质条件影响，矿压显现相对较弱，最大变形量0.87m。

由图5（c）可知，随工作面回采逐渐接近“刀把”位置，中切巷在采动应力和高静载应力叠加影响下，巷道顶底板移近量逐渐增加，且端部和中部移近量要明显高于其他位置。在回采至距中切60m 位置开始，中切巷变形明显增大，平均变形量由0.025m变为0.126m，与最初相比增量达4.04 倍。在回采至距中切30m 时，变化速率进一步加快，平均变形量由0.025m 变为0.338m，增量达12.5 倍，此时是“刀把”煤柱由稳定向不稳定过渡的临界点。

4 结论

（1）断层构造应力和采动应力叠加是导致2204-2 巷强矿压显现的主要原因，煤柱宽度变化和工作面布局影响是导致5204-2 巷强矿压显现的主要原因。

（2）工作面在回采至距“刀把”60m 位置开始，中切巷变形开始急剧增长，此时是“刀把”煤柱由稳定向不稳定过渡的临界点。

（3）据现场观测，强矿压地质影响因素排序由高到底依次为断层、区段煤柱宽度、留底煤厚度、煤厚变化，技术因素排序为工作面布局、覆岩运动。

（4）工程实践表明2204-2巷在过中部落差5.8m断层和小断层群影响区域后，巷道变形基本处于稳定可控范围内，表明采用8m 小煤柱沿空掘巷技术对塔山煤矿特厚煤层综放工作面开采具有较好的适用性，具有推广应用价值。