大采深高地应力煤层相邻工作面煤柱留设宽度优化研究

段元帅 方 进

（山东新汶矿业集团莱芜市万祥矿业公司潘西煤矿，山东 莱芜 271107）

1 工作面概况

潘西煤矿6196与6197综采工作面之间区段煤柱设计，关系到冲击地压等灾害防治。该区域煤层埋深平均1102.6m，煤层属极软煤层。矿井现有相邻工作面煤柱大多采用12m的宽煤（岩）柱，浪费了煤炭资源，对冲击地压防治也没有益处。

小煤柱护巷技术已在华东地区的低瓦斯矿井普遍应用，一般煤柱宽度3.5～4m，采用“锚、网、索”联合支护，能够保证工作面回采期间沿空巷道的通风、行人和运输的需要。进行小煤柱宽度设计需考虑的因素有：（1）是否利于巷道锚网支护；（2）巷道变形是否满足通风、行人和运输的需要；（3）煤柱是否能够形成贯通裂隙，致采空区有害气体和积水渗漏；（4）是否利于采空区防火。6196与6197工作面区域瓦斯异常带，瓦斯含量较高，其区段煤柱宽度设计除需考虑上述因素外，还必须考虑掘进和回采期间瓦斯防治问题。

2 综采工作面侧向岩层结构

通过采用理论分析、数值模拟以及现场实测等新技术，对6196工作面岩层运动规律进行了研究，为6197工作面采场控制及预防冲击地压等动力灾害提供依据。工作面侧向岩层结构如图1所示。

3 钻孔窥视探测

3.1 井下测点布置

本次钻孔探测布置在6196工作面上平巷，共两组：第一组在采动影响区域距工作面15m，共两个钻孔，孔距2m，孔深14m，钻孔直径42mm，钻孔距底板高度约1m；第二组布置在采动影响区域外，钻孔参数与第一组相同，如图2所示。

图1 沿空面侧向岩层结构

图2 钻孔探测布置图

3.2 钻孔窥视结果

通过窥视得出该煤层比较完整，孔壁中裂隙较少，没有明显破碎和离层，从而确定了围岩松动圈范围。

4 工作面侧向支承压力的钻孔应力监测

在6196工作面上进风巷、回风巷布置钻孔应力计，实时监测工作面推采过程中侧向支承压力的变化规律，如图3所示。

图3 钻孔应力计监测方案

通过对6196工作面上下两巷进行了连续性监测得到如下结论：

（1）侧向支承压力峰值位置约为9m。

图4为整理后的监测结果平均值，可以看到侧向支承峰值位置约为9m。

（2）侧向低应力区范围约为5m。

从图4可以看出，低应力范围约为5m，大于5m后，侧向应力迅速增加。

图4 侧向支承压力实测结果

5 采用工程类比和数值模拟确定围岩松动圈范围

5.1 数值模拟确定上区段工作面外侧煤柱宽度

6196工作面平均采高1.8m，最大3.3m，按极限煤层厚度考虑可以推断工作面采空区外侧区宽度约为3m。

5.2 确定区段煤柱宽度

根据理论计算及现场实测结果，综合分析认为：合理区段煤柱宽度为5.0～8.1m，结合钻孔应力实测结果区段煤柱选择6m为宜。

6 微地震技术监测开采过程中的微震规律

6.1 微地震监测方案

6196工作面采用KJ551微震监测系统进行微震事件的监测。当前工作面位置到停采线距离约为100m，因此每条巷道需安装检波器锚杆33个，微地震监测系统安装方案如图5所示。

图5 微地震监测系统平面图

6.2 微震事件显示情况分析

（1）工作面的持续推采，大部分微震事件都会在超前工作面较短距离内显现。

（2）微震事件主要发生在煤层顶板中，开采过程中顶板的破坏更为严重，最大破裂高度为76m，大部分在煤层上方10～35m的位置，即顶板中砂岩和粉砂岩的位置，可认为正常采动条件下顶板破裂高度在35m以内。有54个微震事件发生在煤层底板中，最大破裂深度为25m，54个点破裂深度大部分位于-10～ -20m之间，即底板粉砂岩和粘土岩的位置。

（3）工作面附近覆岩微震事件在煤层顶板中的倾斜方向分布较均匀，煤层底板中的事件倾斜方向上主要分布在上巷底板附近，运输巷处以及工作面中间部分相对较少。

（4）由微地震监测结果可以看出，上巷侧向集中分布区范围为11m，影响区范围为71m，这与理论计算结果比较吻合。微地震事件的集中分布区内，侧向支承压力较低，集中破裂区边缘为高应力区域。因此，沿空巷道布置在集中破裂区内比较合理。此外，考虑到巷道断面宽度3.5m，区段煤柱宽度应以小于7.5m为宜。

7 结 论

（1）结合工程实例，分析了采场覆岩空间结构特征、首采工作面和沿空面的侧向岩层结构特征，指出“沿空巷道布置在低应力区，以小煤柱与采空区隔离”最为有利。

（2）沿空巷道围岩变形是上区段工作面采动影响、掘巷影响和本工作面采动影响综合作用的结果。其中上区段工作面采动影响促使采空区侧向岩层结构和边沿煤体力学性质发生变化，掘巷影响促使沿空巷道围岩承受的载荷发生显著变化，本工作面采动影响促使沿空巷道围岩应力环境和采空区侧向岩层结构发生进一步变化。

（3）掘巷阶段沿空巷道围岩变形较小，主要发生在沿空帮，回采阶段沿空巷道围岩变形较大，进入工作面塑性区后，沿空巷道围岩变形严重，沿空帮发生劈裂，煤柱宽度对沿空巷道围岩变形有重要影响，掘巷阶段沿空巷变形量随留设煤（岩）柱宽度增大而增大，在回采阶段煤柱偏小都会诱发巷道失稳。

（4）采用数值模拟、实测等方法确定了6196工作面上区段煤柱合理宽度为5～8.1m，以6m为优选方案，疏水巷外煤（岩）柱宽度14m为优选方案。