工作面回采巷道煤柱側(cè)向支承壓力確定煤柱合理寬度研究

韓曉光

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

1 工程背景

東曲礦為綜合機(jī)械化礦井，生產(chǎn)能力為330萬(wàn)t/a，現(xiàn)開(kāi)采9號(hào)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(zhǎng)度185m，順槽長(zhǎng)度1200m。工作面采用長(zhǎng)壁開(kāi)采，一次采全高的采煤方法。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道斷面較大，巷幫煤柱壓力大，巷道不易維護(hù)。為減小巷幫圍巖的壓力，礦方設(shè)計(jì)的區(qū)段煤柱寬度達(dá)到了40m，造成了較大的資源浪費(fèi)，急需確定合理的煤柱寬度。

2 側(cè)向支承壓力分布觀測(cè)

側(cè)向支承壓力觀測(cè)是確定工作面區(qū)段煤柱尺寸的最直接、最有效的手段，相較于理論計(jì)算及數(shù)值模擬確定的區(qū)段煤柱寬度，更加科學(xué)合理，更貼近礦井實(shí)際地質(zhì)情況。

2.1 觀測(cè)目的及儀器

為了能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)隨工作面推進(jìn)時(shí)采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤柱超前支承壓力的分布特征，為工作面區(qū)段煤柱寬度的確定提供理論依據(jù)，需進(jìn)行采動(dòng)側(cè)向支撐壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。

本次研究采用KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)是一種比較常見(jiàn)的采動(dòng)側(cè)向支撐壓力測(cè)量工具。

2.2 觀測(cè)方案及數(shù)據(jù)采集

在東曲礦20103工作面回風(fēng)巷間的三聯(lián)巷的兩側(cè)煤柱中布置2個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)布置6個(gè)鉆孔。在20103工作面回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)幫約40m寬煤柱內(nèi)打鉆孔，鉆孔垂直煤壁，孔深5m，共打鉆孔2組，每組6個(gè)，第一組自回風(fēng)順槽煤壁向外依次編號(hào)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(fēng)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(gè)鉆孔內(nèi)安裝一個(gè)煤體鉆孔應(yīng)力計(jì)，外面敷設(shè)長(zhǎng)度為60～120m的信號(hào)電纜，以便測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后能夠繼續(xù)監(jiān)測(cè)。如果停采后回風(fēng)順槽能局部通風(fēng)進(jìn)人，則不需要留設(shè)外接電纜。

圖1 20103工作面?zhèn)认蛑С袎毫y(cè)點(diǎn)布置

為了便于后期數(shù)據(jù)處理，測(cè)試儀器安裝完成后首先進(jìn)行初始數(shù)據(jù)采集。當(dāng)工作面推進(jìn)至測(cè)試儀器100m左右開(kāi)采進(jìn)行正規(guī)測(cè)試，每天1次，25m以?xún)?nèi)每班觀測(cè)一次，工作面推過(guò)儀器安裝位置后，根據(jù)應(yīng)力變化情況每3～5d觀測(cè)1次，直至應(yīng)力穩(wěn)定。記錄觀測(cè)結(jié)果，后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

3 側(cè)向支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律

監(jiān)測(cè)20103工作面約推進(jìn)297.8m的全過(guò)程煤柱側(cè)向支承壓力的特征，如圖2所示。圖2為隨工作面推進(jìn)聯(lián)巷內(nèi)12個(gè)煤體應(yīng)力計(jì)顯示煤柱側(cè)向支承壓力隨工作面推進(jìn)變化特征，12臺(tái)煤體應(yīng)力計(jì)分為兩組分配在聯(lián)巷兩側(cè)煤壁，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#和7#、8#、9#、10#、11#、12#。在聯(lián)巷內(nèi)沿煤柱方向分為3個(gè)測(cè)區(qū)：1#、2#、7#、8#為第1測(cè)區(qū)，3#、4#、9#、10#為第2測(cè)區(qū)，5#、6#、11#、12#為第3測(cè)區(qū)。

圖2 煤體側(cè)向支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律圖

（1）第1測(cè)區(qū)煤體應(yīng)力計(jì)壓力曲線狀況

① 1#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：從工作面距聯(lián)巷142m到工作面距聯(lián)巷24m階段內(nèi)壓力曲線比較平緩，壓力值基本保持在1MPa，無(wú)壓力驟升驟減現(xiàn)象，偶有波動(dòng)，波幅0.7～1.3MPa，從工作面推過(guò)聯(lián)巷24m至工作面推過(guò)5聯(lián)巷57.5m階段內(nèi)壓力從1.3MPa緩增到2.6MPa，從工作面推過(guò)聯(lián)巷57.5m至工作面推過(guò)聯(lián)巷68m階段內(nèi)壓力從2.6MPa急增到12.7MPa，之后，工作面繼續(xù)向前推進(jìn)28.5m過(guò)程中，壓力計(jì)降到8.9MPa，此后，壓力計(jì)數(shù)據(jù)為零，據(jù)推斷是壓力計(jì)損壞。

② 2#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：從工作面距聯(lián)巷142m到工作面距聯(lián)巷24m階段內(nèi)壓力曲線比較平緩，壓力值基本保持在0.9MPa，壓力無(wú)驟升驟降現(xiàn)象，波幅在0.7～1.1MPa，從工作面距聯(lián)巷24m至推過(guò)聯(lián)巷155.8m階段內(nèi)壓力平緩增至3.7MPa。

③ 7#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：從工作面距聯(lián)巷142m到工作面距聯(lián)巷24m階段內(nèi)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(lián)巷24m至推過(guò)聯(lián)巷155.8m此階段內(nèi)壓力從1.1MPa緩增到3.1MPa，期間壓力變化平緩，無(wú)驟升驟降現(xiàn)象。

④ 8#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：從工作面距聯(lián)巷142m到工作面距聯(lián)巷24m階段內(nèi)整體很穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在0.7MPa，偶有波動(dòng)，波幅0.6～0.8MPa，從工作面距聯(lián)巷24m至推過(guò)聯(lián)巷155.8m此階段內(nèi)壓力緩慢增至1.9MPa。說(shuō)明該應(yīng)力計(jì)所在位置在彈性區(qū)，故與以上3個(gè)應(yīng)力計(jì)有所區(qū)別。

（2）第2測(cè)區(qū)煤體應(yīng)力計(jì)壓力曲線狀況

該測(cè)區(qū)4#煤體應(yīng)力計(jì)壓力值總體比較穩(wěn)定。

① 3#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：曲線非常平緩，基本在0.8MPa，波動(dòng)很小，波幅0.8～0.9MPa，后期因儀器損壞而無(wú)數(shù)據(jù)。

② 4#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：基本在0.8MPa左右，波動(dòng)很小，波幅0.6～1.1MPa。

③ 9#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：基本在1MPa左右，偶有波動(dòng)，波幅0.8～1.2MPa。

④ 10#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：基本在0.4MPa左右，有較小波動(dòng)，波幅0～0.5MPa，后期恰好推過(guò)5聯(lián)巷時(shí)因儀器損壞而無(wú)數(shù)據(jù)。

（3）第3測(cè)區(qū)煤體應(yīng)力計(jì)曲線狀況

① 5#煤體應(yīng)力計(jì)曲線變化較小。

② 6#煤體應(yīng)力計(jì)曲線壓力很不穩(wěn)定，起伏較大。

③ 11#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：工作面距聯(lián)巷24m之前基本在1MPa左右，波動(dòng)較小，之后壓力開(kāi)始緩慢增加，推過(guò)聯(lián)巷155.8m時(shí)，升至2.4MPa。

④ 12#煤體應(yīng)力計(jì)曲線：工作面距聯(lián)巷24m之前基本在1MPa左右，偶有波動(dòng)，波幅0.6～1.1MPa，工作面推過(guò)聯(lián)巷155.8m后開(kāi)始緩慢增加。

分析觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，煤柱中部一直位于彈性區(qū)，且彈性區(qū)寬度較大，煤柱中部整體受力較小，巷幫周?chē)蠹s有5m位于塑性區(qū)，原有40m煤柱下有30m處于彈性核區(qū)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了臨界彈性核區(qū)范圍（彈性核區(qū)應(yīng)不小于煤柱高度的3倍）。因此，可以適當(dāng)縮減區(qū)段煤柱寬度。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算及數(shù)值模擬驗(yàn)證等方法，確定合理的煤柱寬度為25m。

4 結(jié) 論

通過(guò)采用KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，得知位于巷幫上部和下部靠近巷幫的應(yīng)力計(jì)在采動(dòng)過(guò)程中受到的采動(dòng)影響較大，煤柱中部一直位于彈性區(qū)，并且彈性區(qū)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(qū)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)向支承壓力觀測(cè)結(jié)果，綜合考慮各因素，原有40m煤柱下有30m煤柱處于彈性核區(qū)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了臨界彈性核區(qū)范圍，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算及數(shù)值模擬驗(yàn)證等方法，確定合理的煤柱寬度為25m。