浅埋煤层综采工作面区段煤柱支承压力监测分析

刘 明

（大同煤矿集团有限责任公司四台矿，山西 大同 037052）

裂隙的发育影响着煤柱的强度，对煤柱支撑力影响较大，通过选用科学可行的相应措施减小或者降低裂隙存在区域的面积，煤柱相应支护的稳定性和煤柱的有效支护面积将增加，但保留煤柱宽度过大将影响煤炭资源回收率，从而造成资源的浪费。为此，对四台矿8715综采工作面段安全煤柱宽度过大，造成资源浪费问题进行了研究。对煤柱进行现场监测和分析，以优化当前区段煤柱宽度数值的选取。

1 工作面概况

8715综采工作面设计有辅助运输巷、胶带运输巷和回风顺槽巷。在完成工作面的开采之后，保留辅助运输槽作下一个工作面的回风顺槽。目前，开采的是14号煤层，倾向长度为200m，走向长度为1200m。采用走向长壁后退式开采方法，工作面从盘区边界向14号煤层盘区巷道方向掘进。8715综采工作面14号煤层相对稳定，平均埋深130m，倾角1°～4°，平均厚度4.1m。

2 区段煤柱支承压力监测方案

8715综采面布置三个监测区域进行实时监测，对综采面开采时候煤柱内部应力的变化情况进行分析研究。在14号煤层8715综采工作面煤柱中设置监测试验点，沿8715综采工作面在胶运顺槽内设置两个监测区，分别为监测区域一和监测区域二，8715综采工作面辅助运输顺槽设有一个监测区域，记录为监测区域三。监测区域从距切眼180m处开始布置，如图1所示。

在监测区域一，采动支承压力监测站安装在胶运顺槽超前综采工作面40m位置。8715综采工作面煤柱中，此测站距离8715综采面切眼180m。在煤柱内打钻孔，钻孔深度在5～10m的范围内，相邻的钻孔深度按顺次减小1m，相邻的钻孔之间距离是4m；钻孔深度在1～5m的范围内，相邻钻孔深度按顺次减小0.5m，一直到距离钻孔口位置1m结束，相邻钻孔之间的距离为2m，总共有14个钻孔应变计。在监测区域二，采动支承压力监测站安装在胶运顺槽超前综采工作面40m位置。8715综采工作面煤柱中，此测站距离8715综采面切眼180m，钻孔布置方式同监测区域一。监测区域对应的钻孔应力计的监测区域布置示意图如图2所示。在监测区域三，采动支承压力监测站安装在8715综采工作面的煤柱中，辅助运输槽超前综采工作面40m位置，与8715综采工作面切眼的距离为260m，钻孔布置与监测区域一相同。

图1 8715综采面煤柱留设监测区域布置图

图2 8715综采面监测区域钻孔应力计平面布置

3 合理的区段煤柱尺寸现场监测规律分析

3.1 煤柱的支承压力变化规律以及塑性区的分析

8715综采工作面的监测区域一对应胶运煤体，监测区域二对应胶运煤柱，监测区域三对应辅运煤柱，分别对应布置的3个监测区域。

8715综采面监测结果分析如下：

（1）与胶运煤体相对应的支承压力的变化规律和塑性区的分析。当每个监测点距离采矿工作面约60m时，由于工作面的超前支承压力的影响，煤柱的压力开始迅速增加。随着工作面接近，压力逐渐增加并且压力值呈指数增加。每个测量点的累计压力曲线的变化趋势基本相同，这符合采场的前方支承压力分布情况。

（2）胶运煤柱对应的支承压力变化规律以及塑性区分析。8715综采面煤柱4.5m、5m、9m监测点的峰值均在距采空区-48m附近出现，这意味着当煤柱距工作面-48m时，相应的压力将达到最大值。因此，当测点在距工作面的距离48m以前达到峰值，说明测点处的煤体在塑性区范围。因此，判定8715综采面煤柱塑性区为4.5m。同时，回采工作面前方的主要支承压力分布范围约为48m。

（3）辅运煤柱对应的单钻孔应力数据的处理以及塑性区分析。当监测点距离工作面约45m时，测量点处的压力开始迅速增加。随着工作面接近，压力逐渐增加，压力值呈指数增长。在监测点进入采空区后，测量点处的压力继续上升。当测量点距工作面煤壁-60～-40m时，测量点达到峰值。随着回采工作面的开采，测量点离工作面的煤壁越来越远，煤柱的压力值逐渐降低。

3.2 动下煤柱的支承压力变化率分析

8715综采面煤柱对应支承压力变化率分析如下：

（1）分析胶运煤体对应的支承压力变化率。随着工作面的前进，测量点变得越来越近，并且煤体支承压力的变化率逐渐增加。当顶板来压时，煤体压力增加的变化加速。分析表明，该工作面顶板来压对前方煤体影响范围约为22m，塑性区宽度大于或等于3m。

（2）分析胶运煤柱对应的支承压力变化率。随着采煤工作面的临近，煤柱压力受采煤工作面影响越来越大，压力的影响越来越明显。当测点距工作面50m开外时，每个测量点的日增压值较小，增量约为0.1MPa。随着工作面的前进，距测点的距离越来越近，煤柱的压力增量每天都在逐渐增大。分析表明，工作面顶板来压影响范围约为21m。

（3）分析辅运煤柱对应的支承压力变化率。随着采煤工作面的临近，煤柱压力受采煤工作面影响越来越大，压力的影响越来越明显。当测点距工作面50m开外的时候，每个测点的日增压值较小，增量约为0.05MPa。随着工作面的前进，距测点的距离越来越近，煤柱的压力增量逐渐增大。当工作面推进到450m、470m时，由顶板监测的4m、7m测点监测到顶板来压，压力步距约为20m，煤柱压力增量曲线突然增大，这与确定的工支架作阻力结果基本一致。

3.3 区段安全煤柱的松动圈演化规律结果分析

在围岩表面打孔进行钻孔电视监测，分析围岩裂隙的发育等情况，分析得出松动圈的范围。

在8715胶运煤柱监测区域进行了多次应力计安装孔窥视监测试验，针对9m、8m、7m、6m、5m、4.5、4m、3.5m、3m、2m、1.5m、1m 中（1m窥视钻孔正上方0.6m处）、1m下（1m窥视钻孔正下方1.8m处）进行了窥视，各钻孔距工作面的位置在90～115m、12～38m范围内。在窥视试验下监测每个应力计安装孔探测情况示意图如图3所示。

图3 8715综采面监测区域钻孔窥视情况示意图

根据分析，在开采影响之前，辅运煤柱2m安装孔的围岩相对完整，未见裂缝。工作面通过2m安装孔28m时候，围岩仍完好，无裂隙。表明采动对2m安装孔附近的围岩稳定性影响很小，无明显松动区；辅助煤柱受到采空区开采和顶板压力的影响，因此确定辅运煤柱的松动圈范围为距煤壁0.9m至1.3m。

4 结论

（1）采用钻孔应力计监测煤柱支承压力，得出超前支承压力在三个监测区域的分布范围，胶运煤体的影响范围60m，胶运煤柱的影响范围48m，辅运煤体的影响范围45m。当煤柱监测点距离工作面煤壁-60～-40m时，每个测量点达到峰值。

（2）在工作面通过监测站之前，周围岩石裂缝较少，松动环的范围较小。工作面通过监测站后，受工作面开采压力和顶板压力的影响。松动圈的范围扩大了2倍左右。

（3）14号煤层区段煤柱的应力增大系数为1.10～1.53，煤柱的侧向应力呈现出马鞍形状分布，煤柱中应力峰值点距离煤柱是4m，顺槽两侧松动圈范围为1.5m。也就是说，该煤层的区段煤柱松动区域为1.5m，塑性区域的宽度为2.5m，弹性区域的宽度是11.2m。

（4）根据实测数据，14号煤层的区段煤柱塑性区宽度为4.0m。结果表明，14号煤层综采面区段安全煤柱的合理尺寸为16.5m，优化宽度为2.7m；考虑受上煤层的采动影响等情况，14号煤层在原来区段煤柱宽度20m的基础上优化2.0m，可留设18m区段安全煤柱。