劉 明

（大同煤礦集團有限責任公司四臺礦，山西 大同 037052）

裂隙的發(fā)育影響著煤柱的強度，對煤柱支撐力影響較大，通過選用科學可行的相應措施減小或者降低裂隙存在區(qū)域的面積，煤柱相應支護的穩(wěn)定性和煤柱的有效支護面積將增加，但保留煤柱寬度過大將影響煤炭資源回收率，從而造成資源的浪費。為此，對四臺礦8715綜采工作面段安全煤柱寬度過大，造成資源浪費問題進行了研究。對煤柱進行現場監(jiān)測和分析，以優(yōu)化當前區(qū)段煤柱寬度數值的選取。

1 工作面概況

8715綜采工作面設計有輔助運輸巷、膠帶運輸巷和回風順槽巷。在完成工作面的開采之后，保留輔助運輸槽作下一個工作面的回風順槽。目前，開采的是14號煤層，傾向長度為200m，走向長度為1200m。采用走向長壁后退式開采方法，工作面從盤區(qū)邊界向14號煤層盤區(qū)巷道方向掘進。8715綜采工作面14號煤層相對穩(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)測方案

8715綜采面布置三個監(jiān)測區(qū)域進行實時監(jiān)測，對綜采面開采時候煤柱內部應力的變化情況進行分析研究。在14號煤層8715綜采工作面煤柱中設置監(jiān)測試驗點，沿8715綜采工作面在膠運順槽內設置兩個監(jiān)測區(qū)，分別為監(jiān)測區(qū)域一和監(jiān)測區(qū)域二，8715綜采工作面輔助運輸順槽設有一個監(jiān)測區(qū)域，記錄為監(jiān)測區(qū)域三。監(jiān)測區(qū)域從距切眼180m處開始布置，如圖1所示。

在監(jiān)測區(qū)域一，采動支承壓力監(jiān)測站安裝在膠運順槽超前綜采工作面40m位置。8715綜采工作面煤柱中，此測站距離8715綜采面切眼180m。在煤柱內打鉆孔，鉆孔深度在5～10m的范圍內，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，相鄰鉆孔深度按順次減小0.5m，一直到距離鉆孔口位置1m結束，相鄰鉆孔之間的距離為2m，總共有14個鉆孔應變計。在監(jiān)測區(qū)域二，采動支承壓力監(jiān)測站安裝在膠運順槽超前綜采工作面40m位置。8715綜采工作面煤柱中，此測站距離8715綜采面切眼180m，鉆孔布置方式同監(jiān)測區(qū)域一。監(jiān)測區(qū)域對應的鉆孔應力計的監(jiān)測區(qū)域布置示意圖如圖2所示。在監(jiān)測區(qū)域三，采動支承壓力監(jiān)測站安裝在8715綜采工作面的煤柱中，輔助運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)測區(qū)域一相同。

圖1 8715綜采面煤柱留設監(jiān)測區(qū)域布置圖

圖2 8715綜采面監(jiān)測區(qū)域鉆孔應力計平面布置

3 合理的區(qū)段煤柱尺寸現場監(jiān)測規(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)測區(qū)域一對應膠運煤體，監(jiān)測區(qū)域二對應膠運煤柱，監(jiān)測區(qū)域三對應輔運煤柱，分別對應布置的3個監(jiān)測區(qū)域。

8715綜采面監(jiān)測結果分析如下：

（1）與膠運煤體相對應的支承壓力的變化規(guī)律和塑性區(qū)的分析。當每個監(jiān)測點距離采礦工作面約60m時，由于工作面的超前支承壓力的影響，煤柱的壓力開始迅速增加。隨著工作面接近，壓力逐漸增加并且壓力值呈指數增加。每個測量點的累計壓力曲線的變化趨勢基本相同，這符合采場的前方支承壓力分布情況。

（2）膠運煤柱對應的支承壓力變化規(guī)律以及塑性區(qū)分析。8715綜采面煤柱4.5m、5m、9m監(jiān)測點的峰值均在距采空區(qū)-48m附近出現，這意味著當煤柱距工作面-48m時，相應的壓力將達到最大值。因此，當測點在距工作面的距離48m以前達到峰值，說明測點處的煤體在塑性區(qū)范圍。因此，判定8715綜采面煤柱塑性區(qū)為4.5m。同時，回采工作面前方的主要支承壓力分布范圍約為48m。

（3）輔運煤柱對應的單鉆孔應力數據的處理以及塑性區(qū)分析。當監(jiān)測點距離工作面約45m時，測量點處的壓力開始迅速增加。隨著工作面接近，壓力逐漸增加，壓力值呈指數增長。在監(jiān)測點進入采空區(qū)后，測量點處的壓力繼續(xù)上升。當測量點距工作面煤壁-60～-40m時，測量點達到峰值。隨著回采工作面的開采，測量點離工作面的煤壁越來越遠，煤柱的壓力值逐漸降低。

3.2 動下煤柱的支承壓力變化率分析

8715綜采面煤柱對應支承壓力變化率分析如下：

（1）分析膠運煤體對應的支承壓力變化率。隨著工作面的前進，測量點變得越來越近，并且煤體支承壓力的變化率逐漸增加。當頂板來壓時，煤體壓力增加的變化加速。分析表明，該工作面頂板來壓對前方煤體影響范圍約為22m，塑性區(qū)寬度大于或等于3m。

（2）分析膠運煤柱對應的支承壓力變化率。隨著采煤工作面的臨近，煤柱壓力受采煤工作面影響越來越大，壓力的影響越來越明顯。當測點距工作面50m開外時，每個測量點的日增壓值較小，增量約為0.1MPa。隨著工作面的前進，距測點的距離越來越近，煤柱的壓力增量每天都在逐漸增大。分析表明，工作面頂板來壓影響范圍約為21m。

（3）分析輔運煤柱對應的支承壓力變化率。隨著采煤工作面的臨近，煤柱壓力受采煤工作面影響越來越大，壓力的影響越來越明顯。當測點距工作面50m開外的時候，每個測點的日增壓值較小，增量約為0.05MPa。隨著工作面的前進，距測點的距離越來越近，煤柱的壓力增量逐漸增大。當工作面推進到450m、470m時，由頂板監(jiān)測的4m、7m測點監(jiān)測到頂板來壓，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果基本一致。

3.3 區(qū)段安全煤柱的松動圈演化規(guī)律結果分析

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

在8715膠運煤柱監(jiān)測區(qū)域進行了多次應力計安裝孔窺視監(jiān)測試驗，針對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）進行了窺視，各鉆孔距工作面的位置在90～115m、12～38m范圍內。在窺視試驗下監(jiān)測每個應力計安裝孔探測情況示意圖如圖3所示。

圖3 8715綜采面監(jiān)測區(qū)域鉆孔窺視情況示意圖

根據分析，在開采影響之前，輔運煤柱2m安裝孔的圍巖相對完整，未見裂縫。工作面通過2m安裝孔28m時候，圍巖仍完好，無裂隙。表明采動對2m安裝孔附近的圍巖穩(wěn)定性影響很小，無明顯松動區(qū)；輔助煤柱受到采空區(qū)開采和頂板壓力的影響，因此確定輔運煤柱的松動圈范圍為距煤壁0.9m至1.3m。

4 結論

（1）采用鉆孔應力計監(jiān)測煤柱支承壓力，得出超前支承壓力在三個監(jiān)測區(qū)域的分布范圍，膠運煤體的影響范圍60m，膠運煤柱的影響范圍48m，輔運煤體的影響范圍45m。當煤柱監(jiān)測點距離工作面煤壁-60～-40m時，每個測量點達到峰值。

（2）在工作面通過監(jiān)測站之前，周圍巖石裂縫較少，松動環(huán)的范圍較小。工作面通過監(jiān)測站后，受工作面開采壓力和頂板壓力的影響。松動圈的范圍擴大了2倍左右。

（3）14號煤層區(qū)段煤柱的應力增大系數為1.10～1.53，煤柱的側向應力呈現出馬鞍形狀分布，煤柱中應力峰值點距離煤柱是4m，順槽兩側松動圈范圍為1.5m。也就是說，該煤層的區(qū)段煤柱松動區(qū)域為1.5m，塑性區(qū)域的寬度為2.5m，彈性區(qū)域的寬度是11.2m。

（4）根據實測數據，14號煤層的區(qū)段煤柱塑性區(qū)寬度為4.0m。結果表明，14號煤層綜采面區(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影響等情況，14號煤層在原來區(qū)段煤柱寬度20m的基礎上優(yōu)化2.0m，可留設18m區(qū)段安全煤柱。