胡底煤礦3#煤層工作面區段煤柱合理寬度研究

翟子波

（山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司，山西 晉城 048200）

長壁開采中，回采工作面一般采用煤柱護巷的布置方式[1-2]，所留設的煤柱位于臨近工作面邊緣。保護煤柱可以隔絕相鄰工作面采空區內瓦斯、水及垮落矸石[3-4]。胡底煤礦3#煤層區段煤柱留設寬度一般為35 m，回采過程中巷道變形并不明顯，煤柱寬度仍有優化空間以提高煤炭的采出率。本文以胡底煤礦1303（上）工作面為研究背景，通過探究工作面側向支承壓力分布規律，進而得到合理的煤柱留設寬度。

1 工程概況

胡底煤礦位于山西沁水煤田南部，可采煤層為3#煤層和15#煤層，礦井設計生產能力為600 萬t/a，現階段主采3#煤層。3#煤層偽頂為炭質泥巖，厚度0.1 m，松軟，易碎，隨采掘脫落；直接頂為泥巖、粉砂質泥巖、泥巖粉砂巖，厚度8.19 m；基本頂為細砂巖，平均厚度為3.56 m；直接底為泥巖、粉砂質泥巖，厚度6.78 m；基本底為細砂巖，厚度3.8 m。

1303（上）工作面寬度為175 m，走向長度為794 m，工作面煤層厚度為5.20～6.15 m 之間，平均厚度為5.72 m，煤層傾角在3°～10°之間，平均傾角為6°，工作面標高為+123～ +182 m。工作面共布置三條回采巷道，即13031 巷、13032 巷、13033 巷，采用兩進一回的通風方式，利用13031巷和13033 巷進風，13032 巷回風。1303（上）分層工作面回采完畢后，13032 巷還作1305（上）分層工作面的進風和運料，服務時間較長，另外在煤層底板布置有底抽巷。

2 煤柱側向支承壓力監測

2.1 監測儀器

監測儀器采用尤洛卡公司生產的礦用應力監測系統，該系統主要由GYW25 型圍巖應力傳感器（簡稱“鉆孔應力計”）和FCH2G/1 型礦用本安手持采集器組成。圍巖應力傳感器由液壓枕、不銹鋼油管及顯示器等結構組成。圍巖應力傳感器采用彈性體應變測量技術，受鉆孔圍巖的應力作用液壓枕將產生變形，并將液壓枕受到的應力傳遞到傳感器的應變計上，應變計將變形量轉換成電壓信號，經過變送器電路轉換成數字信號輸出，從而測量受載煤巖體垂直方向所受載荷。

2.2 監測裝置的安裝

（1）首先使用鉆機進行水平鉆孔（采用規格為Φ42 mm 鉆桿）的打設，用風或者水壓將鉆孔清洗干凈，將監測裝置中的液壓枕以受力面朝上的方式用推桿緩慢推入鉆孔底部。在推入液壓枕的過程中不可旋轉推桿，而應保持同一個方向。安裝方法如圖1。

（2）把傳感器與油管末端通過快速插頭進行連接，同時插好U 形銷。打開截止閥，將手動泵的出油管與注油口連接，泵壓升至2～5 MPa 范圍時關閉截止閥，然后將手動泵拆除，并移除手動泵與注油口連接處的油管。

（3）將傳感器、變送器固定好。

圖1 監測裝置安裝示意圖

2.3 測點布置

為在煤體內安裝壓力枕等設備，分別在13032回風巷和13033 皮帶巷向區段煤柱各打設4 個鉆孔，每兩個鉆孔間的間距設置為1 m，即在煤柱兩側各設置4 個測點，分別編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。其中1#、2#、3#、4#測點鉆孔深度分別為5 m、7 m、9 m、13 m，5#、6#、7#、8#測點鉆孔深度分別為5 m、7 m、11 m、13 m。

3 區段煤柱側向支承壓力及煤柱寬度優化

3.1 側向支承壓力分布規律

區段煤柱側向支承壓力觀測數據如圖2、圖3所示。1#鉆孔應力計安裝在5 m 深位置，距回采工作面70 m。從2019 年10 月17 日—30 日早班期間工作面累計推進49.0 m，當工作面距1#測點21.0 m 時，煤柱側向支承壓力達到了最大，極限應力值15.6 MPa，應力集中系數1.74。達到極限破壞強度之后，煤柱應力迅速下降，煤柱殘余強度值為0.21 MPa。2#鉆孔應力計安裝在7 m 深位置，距回采工作面71 m。從2019 年10 月17 日—31 日早班期間工作面共計推進54.5 m，在工作面距2#測點16.5 m 時，煤柱側向支承壓力達到了最大，極限應力值10.46 MPa，應力集中系數1.59。達到極限破壞強度之后，煤柱應力迅速下降，煤柱殘余強度0.47 MPa。3#鉆孔應力計安裝在9 m 深的位置，距工作面72 m。從2019 年10 月17 日—11 月1 日早班期間工作面共推進57.8 m，當工作面距3#測點14.2 m 時，煤柱側向支承壓力達到了最大，極限應力值10.12 MPa，應力集中系數1.69。達到極限破壞強度之后，煤柱應力迅速下降，煤柱殘余強度0.63 MPa。4#鉆孔應力計安裝在13 m 深的位置，距采煤工作面75 m。2019 年10 月18 日—11 月3 日早班期間工作面共計推進66.4 m，當工作面距4#測點8.6 m 時，煤柱側向支承壓力達到了最大，極限應力值為9.78 MPa，應力集中系數為1.55。達到極限破壞強度之后，煤柱應力迅速下降，煤柱殘余強度為0.96 MPa。

圖2 13033 巷煤柱側鉆孔應力

5#鉆孔應力計安裝在5 m 深的位置，距采煤工作面70 m。從安裝時至工作面推過測試位置后，5#鉆孔應力值變化幅度非常小，壓力在3.22～3.56 MPa之間，表明13032 巷側煤柱5 m 深位置處的煤體基本上不受來自1303（上）工作面回采的影響。6#鉆孔應力計安裝7 m 深的位置，距采煤工作面距離為72 m，從安裝時至工作面推過測試位置后，6#鉆孔應力值變化幅度也非常小，壓力在2.74～3.56 MPa之間，表明13032 巷側煤柱7 m 深位置處的煤體同樣沒有受到來自1303（上）工作面回采的影響。7#鉆孔應力計安裝在11 m 深的位置，距回采工作面76 m，從安裝至工作面推過測試位置后，7#鉆孔應力值變化幅度非常小，壓力在3.08～3.76 MPa 之間，表明13032 巷側煤柱11 m 深的位置同樣沒有受到1303（上）工作面回采的影響。8#鉆孔應力計安裝在13 m 深的位置，距采煤工作面77 m，從安裝時至工作面推過測試位置后，8#鉆孔應力值變化幅度非常小，壓力在4.58～4.17 MPa 之間，表明13032巷煤柱側13 m 深的位置也沒有受到1303（上）工作面回采的影響。

圖3 13032 巷煤柱側鉆孔應力

3.2 區段煤柱留設寬度優化

綜合圖2、圖3 鉆孔應力數據，可以得到各鉆孔最大應力曲線圖，即煤柱應力曲線，如圖4。圖中B～C 范圍內因為沒有安設鉆孔應力計，煤柱應力沒有監測到。A 監測點雖然距煤柱煤壁5 m，但是應力值最大，充分說明了“錨桿+錨索+錨網”支護起到了很好的支護作用，提高了煤體的抗壓強度。C～D 范圍內應力較小，且基本沒有變化，表明煤柱沒有受到回采工作面的動壓影響。因此，煤柱尺寸可以進一步縮小，在原設計35 m 的基礎上減去未受影響區C～D 段尺寸（7 m），即28 m。

圖4 煤柱應力曲線圖

4 結論

通過現場實測手段掌握了1303（上）工作面區段煤柱側向支承壓力分布規律，以此作為區段煤柱優化依據，主要結論如下：

（1）在工作面回采期間，煤柱最大應力值為15.6 MPa，應力集中系數為1.55～1.74，平均應力集中系數為1.65。

（2）應力監測結果表明區段煤柱沒有完全破壞，煤柱尺寸可以進一步縮小，在原設計35 m 的基礎上減去未受影響區C～D 段尺寸（7 m），即28 m。