深部礦井開采巷道地壓與位移檢測研究

李正勝，苗勝軍，任奮華，楊文亮

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.陽煤集團和順新大地煤業有限公司，山西 和順 032700)

在煤層的深部開采中，在工作面的前方會出現較大的支撐壓力，造成巷道圍巖的變形，并且支撐壓力和巷道圍巖的變形會隨著工作面的推進不斷的移動和變化，對安全開采危害很大[1]。所以我們需要掌握在深部開采過程中巷道圍巖壓力的分布和變化規律，從而確定開采動態過程中圍巖壓力和巷道變形的影響區域，選擇合理的巷道位置，確定煤柱尺寸，對巷道圍壓實行有效地管理和控制，確保巷道圍巖的穩定性[2-3]。

1 工程概況

呂家拓井工礦位于河北省唐山市古冶區境內，西距唐山18km，北距古冶9km，地理坐標為東經118°24′，北緯39°40′井田含煤地層屬二疊系下統和石炭系上統，含煤20余層。礦井采用立井多水平集中大巷上山開拓。煤層群聯合開采，主要井巷一般布置在煤層群最下可采煤層(12煤層)底板以下20～70m的灰色中粗砂巖深灰粉砂巖層內，原煤生產主要集中在-800水平，為-800三采、四采里、八采(-600出煤)，而-950水平只有一個采區(首采)且-950水平正在延深中，井田內斷裂構造發育，主要煤層局部節理和裂隙發育，礦山壓力顯現比較明顯，對支護帶來不利影響，礦山壓力大和斷裂構造發育是本礦井地質條件的顯著特點，對礦山安全生產影響較大。對于礦山生產來說，及時、準確、全面地獲得礦山壓力信息，并從中分析和掌握采煤工作面的礦壓規律是非常必要的。以此指導生產，是保證礦山安全生產的重要技術。

2 工作面支撐壓力測量

2.1 檢測方法

地下采煤破壞了采動空間周邊煤巖體的應力平衡，引起煤巖體內部應力的重新分布。重新分布后的應力超過煤巖體的極限強度時，使地下巷道或采煤工作面周圍的煤巖體破壞，并向已采空間移動，直到達到新的應力平衡。對于礦山生產來說，及時、準確、全面地獲得礦山壓力信息，并從中分析和掌握采煤工作面的礦壓規律是非常必要的[4-5]。為了監測采煤過程中由于采煤擾動引起采場周圍巖體和煤體應力的變化規律，采用KSE-II-1型鉆孔應力計對區域內采煤工作面進行現場應力監測，以便從中找出礦壓規律，指導實際生產工作。KSE-II-1型鉆孔應力采用充液膨脹的鉆孔應力枕特殊結構形式,專用于煤、巖體內相對應力的測量。

2.2 測點布置

如圖1所示，在6177采面機巷煤體側進行煤體應力監測，共安設鉆孔應力計8個。于巷幫中部并排打孔，孔徑45mm，測站間距為10～15m，鉆孔深度為10～14m。

圖1 6177采面及礦壓監測位置示意圖

2.3 檢測結果

根據測量結果，計算出各測點在各時間對應的鉆孔壓應力，繪出應力值隨測點與工作面的距離變化關系曲線圖，見圖2。

圖2 鉆孔壓應力與工作面距離關系圖

3 巖巷圍巖變形監測

為了研究工作面開采過程中巷道圍巖變形規律，如圖1所示，在靠近己6177采面最近的運輸巷道設置3個斷面，斷面間距為60m，分別進行巷道頂板巖層位移監測及巷道斷面收斂變形[6-8]。

3.1 巷道頂板巖層位移監測

監測方法及測點布置。巷道頂板巖層位移采用BOF-EX型鉆孔多點位移計監測，獲取監測孔不同高程處頂板巖層位移量，從而確定頂板巖層變形規律。BOF-EX型多點位移計測孔孔徑76mm，可測模塊數1～10個，測量精度0.01mm。如圖3所示，每個斷面測孔安裝3個多點位移計，各斷面1#、2#、3#位移計安裝深度分別為16m、12m、8m。

圖3 頂板位移測孔及斷面收斂基線位置示意圖

巷道頂板巖層位移測量結果。通過對監測數據進行分析，各斷面多點位移計監測點下沉量隨時間變化的曲線如圖4所示。

3.2 巷道斷面收斂測量

斷面收斂測量方法及測點位置斷面收斂測量采用JSS30A-30數顯收斂計，該收斂計量測基線長度為0.5～15m，讀數精度為±0.01mm，量測精度±0.05mm。巷道量測斷面位置及測量基線位置分別如圖1和圖3所示。

根據測量結果做出3個斷面各測線的收斂變形值曲線如圖5所示。

圖4 頂板多點位移計監測結果

圖5 斷面各測線的收斂變形值曲線

4 呂家拓礦深部礦壓顯現規律

根據現場多源動態監測結果，得到呂家拓礦深部開采礦壓顯現規律。

1)圖2顯示了隨著回采工作面推進而接近壓力監測點時，監測點所測壓力值開始是穩定的，然后逐步增高，超過峰值后下降。在采煤工作面前方0～20m的范圍內應力是上升的；最大支承壓力位于采煤工作面前方10～20m的范圍內；超過最大支承壓應力點后，應力值逐步減小；在80m以外，應力趨于穩定[9]。測得最大支承壓應力為43MPa，現場實測6177機巷的垂直應力為12.14MPa。最大支承壓應力為垂直應力的3.54倍。

2)由各斷面多點位移計監測點下沉量隨時間變化的折線圖很好的反映了巷道頂板和圍巖內部8m和12m處的下沉值。同時得出：①各斷面孔口的下沉量最大，3#測點次之，2#測點最小②各斷面孔口的下沉量比較的接近，最大達到20mm；各測點的位移和下沉量呈現不斷增加的趨勢。因此回風上山頂板有向不穩定發展的趨勢，為控制不利趨勢，保證巷道的穩定和正常運行，必要時需進行二次支護。

3)由圖5所示，回采過程中，鄰近巷道圍巖變形經歷了3個階段：①當測點離回采工作面較遠時，變形緩慢增長；②隨回采工作面推進，變形急劇增長，最高收斂速率達0.7mm/d，持續約50d，期間累計變形量達巷道圍巖總變形量50%以上；③隨著工作面繼續推進，變形緩慢并逐步趨于穩定，當收斂速率小于0.1mm/d時，巷道圍巖趨于穩定。

[1] 姜福興.礦山壓力與巖層控制[M].北京: 煤炭工業出版社, 2004.

[2] 杜計平, 蘇景春. 煤礦深井開采的礦壓顯現及控制[M].徐州: 中國礦業大學出版社，2000.

[3] Miao, S.J., Lai, X.P., Zhao, X.G., & Ren, F.H. 2009. Simulation experiment of AE-based localization damage and deformation characteristic on coving rock in mined-out area [J]. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 16(3): 255-260.

[4] 謝廣祥, 楊科, 常聚才，等. 綜放采場圍巖支承壓力分布及動力災害的層厚效應[J]. 煤炭學報, 2006, 31(6): 731-735.

[5] Toderas, Mihaela. The evaluation of the pressure’s manifestations of stress due to the surrounding main horizontal mine workings at Valea Jiului area, according to the knowledge of the rheological behaviour of the surrounding rocks [J]. Journal of Mines, Metals and Fuels, 2006, 54(12): 300-304.

[6] 滕永海, 閻振斌. 采動過程中覆巖離層發育規律的研究[J]. 煤炭學報, 1999, 24(1): 25-28.

[7] Majcherczyk Tadeusz, Makowski Piotr, Niedbalski Zbigniew. Speed of roof rock separation and a type of working’s support [A]. New Technological Solutions in Underground Mining International Mining Forum [C]. Taylor and Francis/ Balkema, 2006.

[8] 蘇華友, 楊有玉. 隧洞施工中圍巖收斂觀測及分析[J]. 中國礦業大學學報, 2002, 31(2): 198-203.

[9] 蔡美峰. 平頂山八礦基于礦壓觀測的安全管理信息系統研究[R]. 北京: 北京科技大學, 2008.