胡底煤礦3#煤層工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究

翟子波

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)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(hù)巷的布置方式[1-2]，所留設(shè)的煤柱位于臨近工作面邊緣。保護(hù)煤柱可以隔絕相鄰工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯、水及垮落矸石[3-4]。胡底煤礦3#煤層區(qū)段煤柱留設(shè)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(yōu)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?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律，進(jìn)而得到合理的煤柱留設(shè)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600 萬t/a，現(xiàn)階段主采3#煤層。3#煤層偽頂為炭質(zhì)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(zhì)泥巖、泥巖粉砂巖，厚度8.19 m；基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度為3.56 m；直接底為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度6.78 m；基本底為細(xì)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(biāo)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(jìn)一回的通風(fēng)方式，利用13031巷和13033 巷進(jìn)風(fēng)，13032 巷回風(fēng)。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(jìn)風(fēng)和運(yùn)料，服務(wù)時(shí)間較長，另外在煤層底板布置有底抽巷。

2 煤柱側(cè)向支承壓力監(jiān)測

2.1 監(jiān)測儀器

監(jiān)測儀器采用尤洛卡公司生產(chǎn)的礦用應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由GYW25 型圍巖應(yīng)力傳感器（簡稱“鉆孔應(yīng)力計(jì)”）和FCH2G/1 型礦用本安手持采集器組成。圍巖應(yīng)力傳感器由液壓枕、不銹鋼油管及顯示器等結(jié)構(gòu)組成。圍巖應(yīng)力傳感器采用彈性體應(yīng)變測量技術(shù)，受鉆孔圍巖的應(yīng)力作用液壓枕將產(chǎn)生變形，并將液壓枕受到的應(yīng)力傳遞到傳感器的應(yīng)變計(jì)上，應(yīng)變計(jì)將變形量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過變送器電路轉(zhuǎn)換成數(shù)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(jiān)測裝置的安裝

（1）首先使用鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆孔（采用規(guī)格為Φ42 mm 鉆桿）的打設(shè)，用風(fēng)或者水壓將鉆孔清洗干凈，將監(jiān)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(zhuǎn)推桿，而應(yīng)保持同一個(gè)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(jìn)行連接，同時(shí)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(shí)關(guān)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(jiān)測裝置安裝示意圖

2.3 測點(diǎn)布置

為在煤體內(nèi)安裝壓力枕等設(shè)備，分別在13032回風(fēng)巷和13033 皮帶巷向區(qū)段煤柱各打設(shè)4 個(gè)鉆孔，每兩個(gè)鉆孔間的間距設(shè)置為1 m，即在煤柱兩側(cè)各設(shè)置4 個(gè)測點(diǎn)，分別編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。其中1#、2#、3#、4#測點(diǎn)鉆孔深度分別為5 m、7 m、9 m、13 m，5#、6#、7#、8#測點(diǎn)鉆孔深度分別為5 m、7 m、11 m、13 m。

3 區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力及煤柱寬度優(yōu)化

3.1 側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力觀測數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。1#鉆孔應(yīng)力計(jì)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(jì)推進(jìn)49.0 m，當(dāng)工作面距1#測點(diǎn)21.0 m 時(shí)，煤柱側(cè)向支承壓力達(dá)到了最大，極限應(yīng)力值15.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.74。達(dá)到極限破壞強(qiáng)度之后，煤柱應(yīng)力迅速下降，煤柱殘余強(qiáng)度值為0.21 MPa。2#鉆孔應(yīng)力計(jì)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(jì)推進(jìn)54.5 m，在工作面距2#測點(diǎn)16.5 m 時(shí)，煤柱側(cè)向支承壓力達(dá)到了最大，極限應(yīng)力值10.46 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.59。達(dá)到極限破壞強(qiáng)度之后，煤柱應(yīng)力迅速下降，煤柱殘余強(qiáng)度0.47 MPa。3#鉆孔應(yīng)力計(jì)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(jìn)57.8 m，當(dāng)工作面距3#測點(diǎn)14.2 m 時(shí)，煤柱側(cè)向支承壓力達(dá)到了最大，極限應(yīng)力值10.12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.69。達(dá)到極限破壞強(qiáng)度之后，煤柱應(yīng)力迅速下降，煤柱殘余強(qiáng)度0.63 MPa。4#鉆孔應(yīng)力計(jì)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(jì)推進(jìn)66.4 m，當(dāng)工作面距4#測點(diǎn)8.6 m 時(shí)，煤柱側(cè)向支承壓力達(dá)到了最大，極限應(yīng)力值為9.78 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.55。達(dá)到極限破壞強(qiáng)度之后，煤柱應(yīng)力迅速下降，煤柱殘余強(qiáng)度為0.96 MPa。

圖2 13033 巷煤柱側(cè)鉆孔應(yīng)力

5#鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在5 m 深的位置，距采煤工作面70 m。從安裝時(shí)至工作面推過測試位置后，5#鉆孔應(yīng)力值變化幅度非常小，壓力在3.22～3.56 MPa之間，表明13032 巷側(cè)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(yīng)力計(jì)安裝7 m 深的位置，距采煤工作面距離為72 m，從安裝時(shí)至工作面推過測試位置后，6#鉆孔應(yīng)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(cè)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(yīng)力計(jì)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(yīng)力值變化幅度非常小，壓力在3.08～3.76 MPa 之間，表明13032 巷側(cè)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(yīng)力計(jì)安裝在13 m 深的位置，距采煤工作面77 m，從安裝時(shí)至工作面推過測試位置后，8#鉆孔應(yīng)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(cè)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(cè)鉆孔應(yīng)力

3.2 區(qū)段煤柱留設(shè)寬度優(yōu)化

綜合圖2、圖3 鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)，可以得到各鉆孔最大應(yīng)力曲線圖，即煤柱應(yīng)力曲線，如圖4。圖中B～C 范圍內(nèi)因?yàn)闆]有安設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，煤柱應(yīng)力沒有監(jiān)測到。A 監(jiān)測點(diǎn)雖然距煤柱煤壁5 m，但是應(yīng)力值最大，充分說明了“錨桿+錨索+錨網(wǎng)”支護(hù)起到了很好的支護(hù)作用，提高了煤體的抗壓強(qiáng)度。C～D 范圍內(nèi)應(yīng)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(jìn)一步縮小，在原設(shè)計(jì)35 m 的基礎(chǔ)上減去未受影響區(qū)C～D 段尺寸（7 m），即28 m。

圖4 煤柱應(yīng)力曲線圖

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場實(shí)測手段掌握了1303（上）工作面區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，以此作為區(qū)段煤柱優(yōu)化依據(jù)，主要結(jié)論如下：

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

（2）應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明區(qū)段煤柱沒有完全破壞，煤柱尺寸可以進(jìn)一步縮小，在原設(shè)計(jì)35 m 的基礎(chǔ)上減去未受影響區(qū)C～D 段尺寸（7 m），即28 m。