淺埋煤層綜采工作面區(qū)段煤柱支承壓力監(jiān)測(cè)分析

劉 明

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦，山西 大同 037052）

裂隙的發(fā)育影響著煤柱的強(qiáng)度，對(duì)煤柱支撐力影響較大，通過(guò)選用科學(xué)可行的相應(yīng)措施減小或者降低裂隙存在區(qū)域的面積，煤柱相應(yīng)支護(hù)的穩(wěn)定性和煤柱的有效支護(hù)面積將增加，但保留煤柱寬度過(guò)大將影響煤炭資源回收率，從而造成資源的浪費(fèi)。為此，對(duì)四臺(tái)礦8715綜采工作面段安全煤柱寬度過(guò)大，造成資源浪費(fèi)問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)煤柱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析，以優(yōu)化當(dāng)前區(qū)段煤柱寬度數(shù)值的選取。

1 工作面概況

8715綜采工作面設(shè)計(jì)有輔助運(yùn)輸巷、膠帶運(yùn)輸巷和回風(fēng)順槽巷。在完成工作面的開(kāi)采之后，保留輔助運(yùn)輸槽作下一個(gè)工作面的回風(fēng)順槽。目前，開(kāi)采的是14號(hào)煤層，傾向長(zhǎng)度為200m，走向長(zhǎng)度為1200m。采用走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采方法，工作面從盤區(qū)邊界向14號(hào)煤層盤區(qū)巷道方向掘進(jìn)。8715綜采工作面14號(hào)煤層相對(duì)穩(wěn)定，平均埋深130m，傾角1°～4°，平均厚度4.1m。

2 區(qū)段煤柱支承壓力監(jiān)測(cè)方案

8715綜采面布置三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)綜采面開(kāi)采時(shí)候煤柱內(nèi)部應(yīng)力的變化情況進(jìn)行分析研究。在14號(hào)煤層8715綜采工作面煤柱中設(shè)置監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)，沿8715綜采工作面在膠運(yùn)順槽內(nèi)設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)，分別為監(jiān)測(cè)區(qū)域一和監(jiān)測(cè)區(qū)域二，8715綜采工作面輔助運(yùn)輸順槽設(shè)有一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，記錄為監(jiān)測(cè)區(qū)域三。監(jiān)測(cè)區(qū)域從距切眼180m處開(kāi)始布置，如圖1所示。

在監(jiān)測(cè)區(qū)域一，采動(dòng)支承壓力監(jiān)測(cè)站安裝在膠運(yùn)順槽超前綜采工作面40m位置。8715綜采工作面煤柱中，此測(cè)站距離8715綜采面切眼180m。在煤柱內(nèi)打鉆孔，鉆孔深度在5～10m的范圍內(nèi)，相鄰的鉆孔深度按順次減小1m，相鄰的鉆孔之間距離是4m；鉆孔深度在1～5m的范圍內(nèi)，相鄰鉆孔深度按順次減小0.5m，一直到距離鉆孔口位置1m結(jié)束，相鄰鉆孔之間的距離為2m，總共有14個(gè)鉆孔應(yīng)變計(jì)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域二，采動(dòng)支承壓力監(jiān)測(cè)站安裝在膠運(yùn)順槽超前綜采工作面40m位置。8715綜采工作面煤柱中，此測(cè)站距離8715綜采面切眼180m，鉆孔布置方式同監(jiān)測(cè)區(qū)域一。監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的鉆孔應(yīng)力計(jì)的監(jiān)測(cè)區(qū)域布置示意圖如圖2所示。在監(jiān)測(cè)區(qū)域三，采動(dòng)支承壓力監(jiān)測(cè)站安裝在8715綜采工作面的煤柱中，輔助運(yùn)輸槽超前綜采工作面40m位置，與8715綜采工作面切眼的距離為260m，鉆孔布置與監(jiān)測(cè)區(qū)域一相同。

圖1 8715綜采面煤柱留設(shè)監(jiān)測(cè)區(qū)域布置圖

圖2 8715綜采面監(jiān)測(cè)區(qū)域鉆孔應(yīng)力計(jì)平面布置

3 合理的區(qū)段煤柱尺寸現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)規(guī)律分析

3.1 煤柱的支承壓力變化規(guī)律以及塑性區(qū)的分析

8715綜采工作面的監(jiān)測(cè)區(qū)域一對(duì)應(yīng)膠運(yùn)煤體，監(jiān)測(cè)區(qū)域二對(duì)應(yīng)膠運(yùn)煤柱，監(jiān)測(cè)區(qū)域三對(duì)應(yīng)輔運(yùn)煤柱，分別對(duì)應(yīng)布置的3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

8715綜采面監(jiān)測(cè)結(jié)果分析如下：

（1）與膠運(yùn)煤體相對(duì)應(yīng)的支承壓力的變化規(guī)律和塑性區(qū)的分析。當(dāng)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離采礦工作面約60m時(shí)，由于工作面的超前支承壓力的影響，煤柱的壓力開(kāi)始迅速增加。隨著工作面接近，壓力逐漸增加并且壓力值呈指數(shù)增加。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的累計(jì)壓力曲線的變化趨勢(shì)基本相同，這符合采場(chǎng)的前方支承壓力分布情況。

（2）膠運(yùn)煤柱對(duì)應(yīng)的支承壓力變化規(guī)律以及塑性區(qū)分析。8715綜采面煤柱4.5m、5m、9m監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值均在距采空區(qū)-48m附近出現(xiàn)，這意味著當(dāng)煤柱距工作面-48m時(shí)，相應(yīng)的壓力將達(dá)到最大值。因此，當(dāng)測(cè)點(diǎn)在距工作面的距離48m以前達(dá)到峰值，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)處的煤體在塑性區(qū)范圍。因此，判定8715綜采面煤柱塑性區(qū)為4.5m。同時(shí)，回采工作面前方的主要支承壓力分布范圍約為48m。

（3）輔運(yùn)煤柱對(duì)應(yīng)的單鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)的處理以及塑性區(qū)分析。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面約45m時(shí)，測(cè)量點(diǎn)處的壓力開(kāi)始迅速增加。隨著工作面接近，壓力逐漸增加，壓力值呈指數(shù)增長(zhǎng)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后，測(cè)量點(diǎn)處的壓力繼續(xù)上升。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)距工作面煤壁-60～-40m時(shí)，測(cè)量點(diǎn)達(dá)到峰值。隨著回采工作面的開(kāi)采，測(cè)量點(diǎn)離工作面的煤壁越來(lái)越遠(yuǎn)，煤柱的壓力值逐漸降低。

3.2 動(dòng)下煤柱的支承壓力變化率分析

8715綜采面煤柱對(duì)應(yīng)支承壓力變化率分析如下：

（1）分析膠運(yùn)煤體對(duì)應(yīng)的支承壓力變化率。隨著工作面的前進(jìn)，測(cè)量點(diǎn)變得越來(lái)越近，并且煤體支承壓力的變化率逐漸增加。當(dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，煤體壓力增加的變化加速。分析表明，該工作面頂板來(lái)壓對(duì)前方煤體影響范圍約為22m，塑性區(qū)寬度大于或等于3m。

（2）分析膠運(yùn)煤柱對(duì)應(yīng)的支承壓力變化率。隨著采煤工作面的臨近，煤柱壓力受采煤工作面影響越來(lái)越大，壓力的影響越來(lái)越明顯。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面50m開(kāi)外時(shí)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的日增壓值較小，增量約為0.1MPa。隨著工作面的前進(jìn)，距測(cè)點(diǎn)的距離越來(lái)越近，煤柱的壓力增量每天都在逐漸增大。分析表明，工作面頂板來(lái)壓影響范圍約為21m。

（3）分析輔運(yùn)煤柱對(duì)應(yīng)的支承壓力變化率。隨著采煤工作面的臨近，煤柱壓力受采煤工作面影響越來(lái)越大，壓力的影響越來(lái)越明顯。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面50m開(kāi)外的時(shí)候，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的日增壓值較小，增量約為0.05MPa。隨著工作面的前進(jìn)，距測(cè)點(diǎn)的距離越來(lái)越近，煤柱的壓力增量逐漸增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到450m、470m時(shí)，由頂板監(jiān)測(cè)的4m、7m測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到頂板來(lái)壓，壓力步距約為20m，煤柱壓力增量曲線突然增大，這與確定的工支架作阻力結(jié)果基本一致。

3.3 區(qū)段安全煤柱的松動(dòng)圈演化規(guī)律結(jié)果分析

在圍巖表面打孔進(jìn)行鉆孔電視監(jiān)測(cè)，分析圍巖裂隙的發(fā)育等情況，分析得出松動(dòng)圈的范圍。

在8715膠運(yùn)煤柱監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行了多次應(yīng)力計(jì)安裝孔窺視監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，針對(duì)9m、8m、7m、6m、5m、4.5、4m、3.5m、3m、2m、1.5m、1m 中（1m窺視鉆孔正上方0.6m處）、1m下（1m窺視鉆孔正下方1.8m處）進(jìn)行了窺視，各鉆孔距工作面的位置在90～115m、12～38m范圍內(nèi)。在窺視試驗(yàn)下監(jiān)測(cè)每個(gè)應(yīng)力計(jì)安裝孔探測(cè)情況示意圖如圖3所示。

圖3 8715綜采面監(jiān)測(cè)區(qū)域鉆孔窺視情況示意圖

根據(jù)分析，在開(kāi)采影響之前，輔運(yùn)煤柱2m安裝孔的圍巖相對(duì)完整，未見(jiàn)裂縫。工作面通過(guò)2m安裝孔28m時(shí)候，圍巖仍完好，無(wú)裂隙。表明采動(dòng)對(duì)2m安裝孔附近的圍巖穩(wěn)定性影響很小，無(wú)明顯松動(dòng)區(qū)；輔助煤柱受到采空區(qū)開(kāi)采和頂板壓力的影響，因此確定輔運(yùn)煤柱的松動(dòng)圈范圍為距煤壁0.9m至1.3m。

4 結(jié)論

（1）采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)煤柱支承壓力，得出超前支承壓力在三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的分布范圍，膠運(yùn)煤體的影響范圍60m，膠運(yùn)煤柱的影響范圍48m，輔運(yùn)煤體的影響范圍45m。當(dāng)煤柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面煤壁-60～-40m時(shí)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)達(dá)到峰值。

（2）在工作面通過(guò)監(jiān)測(cè)站之前，周圍巖石裂縫較少，松動(dòng)環(huán)的范圍較小。工作面通過(guò)監(jiān)測(cè)站后，受工作面開(kāi)采壓力和頂板壓力的影響。松動(dòng)圈的范圍擴(kuò)大了2倍左右。

（3）14號(hào)煤層區(qū)段煤柱的應(yīng)力增大系數(shù)為1.10～1.53，煤柱的側(cè)向應(yīng)力呈現(xiàn)出馬鞍形狀分布，煤柱中應(yīng)力峰值點(diǎn)距離煤柱是4m，順槽兩側(cè)松動(dòng)圈范圍為1.5m。也就是說(shuō)，該煤層的區(qū)段煤柱松動(dòng)區(qū)域?yàn)?.5m，塑性區(qū)域的寬度為2.5m，彈性區(qū)域的寬度是11.2m。

（4）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，14號(hào)煤層的區(qū)段煤柱塑性區(qū)寬度為4.0m。結(jié)果表明，14號(hào)煤層綜采面區(qū)段安全煤柱的合理尺寸為16.5m，優(yōu)化寬度為2.7m；考慮受上煤層的采動(dòng)影響等情況，14號(hào)煤層在原來(lái)區(qū)段煤柱寬度20m的基礎(chǔ)上優(yōu)化2.0m，可留設(shè)18m區(qū)段安全煤柱。