寺河礦15＃煤層巨厚堅硬石灰?guī)r頂板位移觀測分析

許麗君

（晉城煤業(yè)集團 寺河煤礦 二號井，山西 晉城048019）

我國煤炭資源賦存多樣化，其中具有堅硬頂板條件的煤層賦存比例約占30%，且分布廣泛〔1－2〕。晉煤集團寺河煤礦二號井151301工作面是該礦井15＃煤層首采工作面，煤層頂板為平均厚度約10.27m的K2石灰?guī)r層，該巖層具有整體強度高、難以直接垮落的特點〔3〕，屬于較難控制的堅硬頂板，存在頂板大面積懸露，工作面驟然來壓等事故隱患。因此，有必要通過一定的科研手段掌握堅硬頂板的運動規(guī)律，指導(dǎo)類似工作面的支護與開采。

1 工作面概況

151301工作面開采15＃煤層，工作面上方為3＃煤層和9＃煤層采空區(qū)。工作面直接頂板為K2石灰?guī)r層，巖層深灰色，平均厚度10.27m；直接底為深灰色泥巖層，平均厚度2.08m，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)砂巖；基本底為平均厚度9.65m的灰色鋁土泥巖層。工作面煤層柱狀見圖1。工作面長度210m，采高2.6m，采用一次采全高走向長壁后退式開采方法，工作面設(shè)計5條順槽，采用“三進兩回”通風(fēng)方式。其中1513015巷、1513011巷、1513013巷為進風(fēng)巷，1513012巷、1513014巷為回風(fēng)巷，工作面巷道布置見圖2。

2 觀測目的及意義

頂板運動規(guī)律是造成工作面礦壓顯現(xiàn)、巷道變形破壞的根本原因，15＃煤煤層頂板為10.27m厚的K2灰?guī)r，為厚層堅硬頂板，煤層開采厚度小，頂板運動規(guī)律與3＃和9＃煤層開采存在較大差別。為了更全面的監(jiān)測分析工作面堅硬頂板的運動特征，決定在頂板中布置鉆孔，安裝深基點，并對工作面推進過程中深基點位移的變化進行觀測，進而分析工作面推進過程中頂板運動規(guī)律，為工作面采場和巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律提供理論依據(jù)。

圖1 工作面煤層柱狀

圖2 151301工作面布置

3 觀測方案及測點布置

在進行頂板深基點位移觀測時，在151301軌道巷內(nèi)超前工作面切眼80m處施工了hh1和hh2兩個鉆孔，分別在兩個鉆孔內(nèi)安裝了深基點并對其初始讀數(shù)進行了記錄。兩鉆孔及深基點參數(shù)見表1，鉆孔布置示意見圖3。

表1 頂板運移規(guī)律觀測鉆孔及深基點參數(shù)

圖3 頂板深基點位移觀測鉆孔布置

深基點位置參數(shù)計算示意見圖4，由示意圖幾何關(guān)系計算可知，鉆孔中基點深度在工作面走向方向上的投影長度X、在工作面傾向方向上的投影長度Y、垂直方向上的投影長度Z可按公式（1）、（2）、（3）進行計算。

圖4 深基點位置參數(shù)計算

式中：X為基點深度在工作面走向方向上的投影長度；Y為基點深度在工作面傾向方向上的投影長度；Z為基點深度在垂直方向上的投影長度；L為基點深度，分別取3m、6 m、9m、12m、15m、18m、21m、24m、27m、29.5m；α為鉆孔仰角，兩鉆孔均為20°9′28″；β為鉆孔水平角，其中hh2鉆孔取30°，hh1鉆孔取45°。

通過三角函數(shù)計算，鉆孔深基點位置參數(shù)見表2。

表2 深基點位置參數(shù)

4 觀測結(jié)果統(tǒng)計及分析

在深基點的安裝過程中，由于hh2鉆孔中的4＃基點（12m）和10＃基點（29.5m）破壞失效，鉆孔中9＃基點深度略有加深；hh1鉆孔中的2＃基點（6m）破壞失效，其余基點均正常使用。在隨后的工作面生產(chǎn)過程中，安排專人根據(jù)工作面的推進情況定期下井對深基點的位移進行觀測，并對鉆孔距工作面距離進行測量，對觀測數(shù)據(jù)進行整理和分析，進而對工作面頂板運動規(guī)律進行分析和研究。以各個監(jiān)測深基點距工作面的距離為橫坐標(biāo)（其中正值表示基點在工作面前方，負(fù)值表示基點在工作面后方），以基點位移變化量為縱坐標(biāo)（其中正值表示測繩伸長即巖層出現(xiàn)離層、冒落等現(xiàn)象，導(dǎo)致巖層層位下降；位移變化值回彈則表示出現(xiàn)了離層裂隙閉合、巖層破斷壓實等現(xiàn)象），繪制出深基點位移變化曲線見圖5、圖6。

圖5 頂板hh2鉆孔深基點位移變化曲線

圖6 頂板hh1鉆孔深基點位移變化曲線

基點觀測鉆孔位于1513012巷的回采側(cè)，工作面推過來后，鉆孔就不能再繼續(xù)進行觀測。因此觀測基點觀測數(shù)據(jù)有限。hh2鉆孔由于其水平角度較小，觀測到最遠距離為工作面后方23m，觀測到的基點的最大位移約為65 mm。

由圖5、6頂板鉆孔深基點的位移變化曲線可以看出，基點位移變化曲線整體呈現(xiàn)平緩增長，說明觀測期間沒有出現(xiàn)頂板突然斷裂，也沒有發(fā)生劇烈沉降。基點位移變化量沒有出現(xiàn)較大偏差，說明頂板巖層內(nèi)部無明顯的離層裂隙，沉降值同步變化。

從hh2鉆孔深基點位移變化曲線來看，始動點的位置位于工作面前方1.5m左右，觀測基點在垂直方向上的變化，反映了始動點的位置向工作面后方的轉(zhuǎn)移情況。在工作面后方7m范圍內(nèi)，基點位移速率變化緩慢；后方7～15 m，基點位移速率變化較大；后方15m之后，基點位移速率變化進一步變緩。此種情況的出現(xiàn)是由于工作面后方7m范圍內(nèi)支架對頂板發(fā)揮了較為有效的支護，巖層下沉量不明顯；工作面后方7～15m頂板處于無約束緩慢下沉狀態(tài)，下沉較為明顯；工作面后方22m之后，工作面基本頂彎曲下沉趨勢逐漸平緩，hh1鉆孔中深基點位移變化規(guī)律與其類似。

5 結(jié)語

1）通過深基點數(shù)據(jù)進行分析可知，在工作面推進過程中，工作面K2石灰?guī)r堅硬頂板下分層出現(xiàn)了明顯冒落，表現(xiàn)出了直接頂?shù)男再|(zhì)，頂板上分層則表現(xiàn)出了整體緩慢下沉特性。

2）下部頂板巖層中基點出現(xiàn)較大下沉位移變化。但是由于下部基點距孔口較近，只能對控頂區(qū)范圍內(nèi)的基點位移變化進行監(jiān)測，而在控頂區(qū)范圍內(nèi)，支架對頂板提供了有效的支護，控制了上巖層裂隙發(fā)育和下沉變化，導(dǎo)致未監(jiān)測到下部基點劇烈位移變化。

〔1〕王 開.普采工作面堅硬頂板控制及其研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2006.

〔2〕楊玉輝，祖賀軍.厚煤層堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析〔J〕.煤炭技術(shù)，2011，30（2）：67－69.

〔3〕韓立軍，蔣斌松，韓貴雷，等.晉城礦區(qū)厚層脆韌性石灰?guī)r頂板變形與控制特性研究〔J〕.巖土力學(xué)，2010，31（6）：1841－1846.