工作面回采巷道煤柱側向支承壓力確定煤柱合理寬度研究

韓曉光

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

1 工程背景

東曲礦為綜合機械化礦井，生產能力為330萬t/a，現開采9號煤層，平均厚度2.69m，為中厚煤層。20103工作面為東曲礦首采工作面，平均埋深310m，工作面長度185m，順槽長度1200m。工作面采用長壁開采，一次采全高的采煤方法。經現場觀測發現，礦壓顯現明顯，巷道斷面較大，巷幫煤柱壓力大，巷道不易維護。為減小巷幫圍巖的壓力，礦方設計的區段煤柱寬度達到了40m，造成了較大的資源浪費，急需確定合理的煤柱寬度。

2 側向支承壓力分布觀測

側向支承壓力觀測是確定工作面區段煤柱尺寸的最直接、最有效的手段，相較于理論計算及數值模擬確定的區段煤柱寬度，更加科學合理，更貼近礦井實際地質情況。

2.1 觀測目的及儀器

為了能夠連續監測隨工作面推進時采動影響范圍內煤柱超前支承壓力的分布特征，為工作面區段煤柱寬度的確定提供理論依據，需進行采動側向支撐壓力現場實測研究。

本次研究采用KSE-Ⅱ-1型鉆孔應力計進行觀測，KSE-Ⅱ-1型鉆孔應力計是一種比較常見的采動側向支撐壓力測量工具。

2.2 觀測方案及數據采集

在東曲礦20103工作面回風巷間的三聯巷的兩側煤柱中布置2個測區，每個測區布置6個鉆孔。在20103工作面回風順槽聯絡巷內幫約40m寬煤柱內打鉆孔，鉆孔垂直煤壁，孔深5m，共打鉆孔2組，每組6個，第一組自回風順槽煤壁向外依次編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，1#鉆孔距煤壁5m，其余的鉆孔距煤壁的距離依次為10m、17m、25m、30m、和35m，7#、8#、9#、10#、11#、12#為 第 二 組 鉆孔，距回風順槽煤壁距離分別為7m、12m、18m、23m、28m和33m。鉆孔孔徑均為Φ45mm，如圖1所示。每個鉆孔內安裝一個煤體鉆孔應力計，外面敷設長度為60～120m的信號電纜，以便測點進入采空區后能夠繼續監測。如果停采后回風順槽能局部通風進人，則不需要留設外接電纜。

圖1 20103工作面側向支承壓力測點布置

為了便于后期數據處理，測試儀器安裝完成后首先進行初始數據采集。當工作面推進至測試儀器100m左右開采進行正規測試，每天1次，25m以內每班觀測一次，工作面推過儀器安裝位置后，根據應力變化情況每3～5d觀測1次，直至應力穩定。記錄觀測結果，后期進行數據處理分析。

3 側向支承壓力顯現規律

監測20103工作面約推進297.8m的全過程煤柱側向支承壓力的特征，如圖2所示。圖2為隨工作面推進聯巷內12個煤體應力計顯示煤柱側向支承壓力隨工作面推進變化特征，12臺煤體應力計分為兩組分配在聯巷兩側煤壁，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#和7#、8#、9#、10#、11#、12#。在聯巷內沿煤柱方向分為3個測區：1#、2#、7#、8#為第1測區，3#、4#、9#、10#為第2測區，5#、6#、11#、12#為第3測區。

圖2 煤體側向支承壓力顯現規律圖

（1）第1測區煤體應力計壓力曲線狀況

① 1#煤體應力計曲線：從工作面距聯巷142m到工作面距聯巷24m階段內壓力曲線比較平緩，壓力值基本保持在1MPa，無壓力驟升驟減現象，偶有波動，波幅0.7～1.3MPa，從工作面推過聯巷24m至工作面推過5聯巷57.5m階段內壓力從1.3MPa緩增到2.6MPa，從工作面推過聯巷57.5m至工作面推過聯巷68m階段內壓力從2.6MPa急增到12.7MPa，之后，工作面繼續向前推進28.5m過程中，壓力計降到8.9MPa，此后，壓力計數據為零，據推斷是壓力計損壞。

② 2#煤體應力計曲線：從工作面距聯巷142m到工作面距聯巷24m階段內壓力曲線比較平緩，壓力值基本保持在0.9MPa，壓力無驟升驟降現象，波幅在0.7～1.1MPa，從工作面距聯巷24m至推過聯巷155.8m階段內壓力平緩增至3.7MPa。

③ 7#煤體應力計曲線：從工作面距聯巷142m到工作面距聯巷24m階段內壓力基本在1MPa左右，波幅0.8～1.1MPa，壓力曲線比較平緩，從工作面距聯巷24m至推過聯巷155.8m此階段內壓力從1.1MPa緩增到3.1MPa，期間壓力變化平緩，無驟升驟降現象。

④ 8#煤體應力計曲線：從工作面距聯巷142m到工作面距聯巷24m階段內整體很穩定，基本穩定在0.7MPa，偶有波動，波幅0.6～0.8MPa，從工作面距聯巷24m至推過聯巷155.8m此階段內壓力緩慢增至1.9MPa。說明該應力計所在位置在彈性區，故與以上3個應力計有所區別。

（2）第2測區煤體應力計壓力曲線狀況

該測區4#煤體應力計壓力值總體比較穩定。

① 3#煤體應力計曲線：曲線非常平緩，基本在0.8MPa，波動很小，波幅0.8～0.9MPa，后期因儀器損壞而無數據。

② 4#煤體應力計曲線：基本在0.8MPa左右，波動很小，波幅0.6～1.1MPa。

③ 9#煤體應力計曲線：基本在1MPa左右，偶有波動，波幅0.8～1.2MPa。

④ 10#煤體應力計曲線：基本在0.4MPa左右，有較小波動，波幅0～0.5MPa，后期恰好推過5聯巷時因儀器損壞而無數據。

（3）第3測區煤體應力計曲線狀況

① 5#煤體應力計曲線變化較小。

② 6#煤體應力計曲線壓力很不穩定，起伏較大。

③ 11#煤體應力計曲線：工作面距聯巷24m之前基本在1MPa左右，波動較小，之后壓力開始緩慢增加，推過聯巷155.8m時，升至2.4MPa。

④ 12#煤體應力計曲線：工作面距聯巷24m之前基本在1MPa左右，偶有波動，波幅0.6～1.1MPa，工作面推過聯巷155.8m后開始緩慢增加。

分析觀測數據發現，煤柱中部一直位于彈性區，且彈性區寬度較大，煤柱中部整體受力較小，巷幫周圍大約有5m位于塑性區，原有40m煤柱下有30m處于彈性核區，遠遠超過了臨界彈性核區范圍（彈性核區應不小于煤柱高度的3倍）。因此，可以適當縮減區段煤柱寬度。經過理論計算及數值模擬驗證等方法，確定合理的煤柱寬度為25m。

4 結 論

通過采用KSE-Ⅱ-1型鉆孔應力計進行觀測，得知位于巷幫上部和下部靠近巷幫的應力計在采動過程中受到的采動影響較大，煤柱中部一直位于彈性區，并且彈性區寬度較大，煤柱中部整體受力較小，巷幫5m左右范圍位于塑性區。

根據現場側向支承壓力觀測結果，綜合考慮各因素，原有40m煤柱下有30m煤柱處于彈性核區，遠遠超過了臨界彈性核區范圍，經過理論計算及數值模擬驗證等方法，確定合理的煤柱寬度為25m。