上覆巖層階段性活動規律實測研究

上覆巖層階段性活動規律實測研究

王成1，韓亞峰1，杜澤生2

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

[摘要]為得到桃園煤礦上行卸壓開采上覆巖層活動規律以及巷道工程開挖時機，采用長度137m深孔位移監測和受采動巷道圍巖收斂監測等多種手段相結合，長期跟蹤覆巖活動情況。結果表明：上覆巖層活動具有階段性，第一階段為活動劇烈期，以裂縫帶內巖層活動為主，持續時間約90 d；第二階段為活動緩和期，以彎曲下沉帶內巖層活動為主，持續時間約75 d；之后為巖層活動穩定期；受采動影響的巷道呈階段性滯后響應特征；上覆巖層活動穩定時間為采后165 d，巷道開挖最佳時機為采后165～180d。

[關鍵詞]上覆巖層；巖層活動；階段性；穩定時間

[中圖分類號]TD322[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-05-27

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.018

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(51304065，51274088)；河南理工大學博士基金資助項目(B2012-064)

[作者簡介]王成(1984-)，男，安徽含山人，博士，副教授，現從事礦壓理論及其控制技術、深井煤與瓦斯共采方面的研究。

Monitoring of Periodical Movement Rule of Overlying Strata

WANG Cheng1, HAN Ya-feng1, DU Ze-sheng2

(1.Energy Science & Engineering School, Henan University of Science & Technology, Jiaozuo 454003, China;

2.Henan Provincial Coal Science Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to obtain overlying strata movement rule of up-mining for pressure relief and excavation opportunity, 137m deep bore-hole displacement monitoring and surrounding rock convergence monitoring of roadway were applied to long-timely tracing surrounding rock movement.Monitoring result showed that overlying strata movement took on periodical characteristic, the first stage was strong movement stage of rock within fissure zone which continued about 90 days, the second stage was movement remission stage of rock in bending and subsidence zone which continued about 75d, afterwards, rock movement started to be stable.Roadway influenced by mining activity responded subsequently with this periodical characteristic.Stability time of overlying strata was 165 days after mining and rational excavation time of roadway was 165-180 days after mining.

Keywords:overlying strata; rock strata movement; stage; stability time

[引用格式]王成，韓亞峰，杜澤生.上覆巖層階段性活動規律實測研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：60-63.

煤層群的開采順序是煤層群開采中至關重要的問題之一[1-5]，一般來說，應當按照由上而下的開采順序進行，以避免開采順序改變對上覆未被開采煤層和井巷工程的大面積采動破壞。但是，有時往往因為礦井生產接替關系的需要，或者為了釋放應力，開采解放層，提高采出率，或者為了合理進行煤質搭配或其他原因[6-11]，在考慮開采層位時，不應拘泥于單一的下行開采程序，而應當綜合考慮各影響因素，選擇上行順序開采以取得較好的技術經濟效益。

以淮北礦業集團桃園煤礦零采區為典型試驗研究點，系統研究10煤開采對7煤、8煤層開采條件及巷道工程穩定性的影響規律，對于礦井開拓布局、合理確定相關煤層的開采順序、上部煤層巷道的準備時機及預防開采過程中可能出現的安全隱患意義重大。

1工程地質條件

桃園煤礦井田北以F1斷層為界，南以第10勘探線為界與祁南煤礦毗鄰，西界為10煤層露頭線，東界至32煤層-800m底板等高線的水平投影，井田南北走向長約15km，東西傾向寬1.5～3.5km，井田面積約32km2。井田內共含可采煤層9層，其中較穩定煤層2層，分別為8煤和10煤；不穩定煤層6層，分別為32，52，61，63，71，72煤層；極不穩定煤層1層，為4煤層?？刹擅簩悠骄偤穸?1.84m，占煤層總厚的54%；較穩定煤層平均總厚5.12m，占可采煤層厚度的43%。主采煤層分別為32，71，8，10煤層。

2005年由煤科總院重慶分院對桃園煤礦瓦斯等級進行鑒定，最終確定8煤層為突出煤層，桃園煤礦升級為煤與瓦斯突出礦井。針對桃園煤礦10，71，8煤層群賦存條件，采用上行開采以解決瓦斯問題，保證礦井回采的安全。

2觀測儀器與測站布置

在科研鉆場布置2個長距離鉆孔(1號和2號)，為了保證鉆孔穿透8煤(8煤和10煤平均間距76m)，鉆孔長度分別為143m和151m，采用直徑94mm地質鉆施工，要求保持鉆孔角度，使鉆孔直度符合要求，不出現臺階，避免出現蛇形孔，鉆孔需用水沖洗干凈巖屑和巖石碎塊，以免巖屑堵塞探頭影響觀測。

為配合該項目的研究，桃園煤礦于5月28日將科研鉆場開掘準備妥當，6月3日鉆機安裝到位，6月5日開始三班循環開鉆，6月8號2個深孔窺視儀鉆孔均施工完畢，如圖1所示，鉆孔角度分別45°和40°。

圖1　鉆孔布置示意

3上覆巖層穩定時間及巷道開挖時機

3.1　上覆巖層階段性活動規律分析

工作面停采后，為了深入了解采空區上覆巖層的活動規律，于7月6日在2號鉆孔(鉆孔角度40°)中安設長度達137m的深孔位移計，由于深孔位移計安裝距離長且位于巷道頂板，測點安裝極其困難，因此僅僅安裝了1個深基點，但長時間的跟蹤觀測可以動態分析上覆巖層的活動規律。在實際鉆孔施工過程中，2號鉆孔穿透8煤，137m長鉆孔的垂直高度為88m，而8煤與10煤平均間距76m，結合采場覆巖“三帶”范圍，確定深孔位移計的深基點位于8煤頂板中，且處于彎曲下沉帶內。7月9日開始觀測，至12月18日觀測結束，其累計絕對位移量和速度變化曲線如圖2所示。

圖2　上覆巖層活動情況

分析圖2，可以得出如下規律：

(1)停采約165d時，深孔位移計位移監測值基本穩定，因此，確定1001回采工作面上覆巖層活動穩定時間為165d。

(2)遠距離深孔位移監測值表現出先增大后減小，然后趨于穩定的規律。說明停采后一段時間采空區頂板一直在做下沉運動，其根本原因：上覆巖層活動是自下而上漸進發展的，覆巖破壞范圍增大，離層層位不斷向上發展，導致在不同時期彎曲下沉帶和裂縫帶兩者下沉速度不一。起初裂縫帶下沉速度大于彎曲下沉帶的下沉速度，以裂縫帶內的活動為主；隨著采空區逐漸壓實，裂縫帶及時響應并減速下沉，當下沉速度小于彎曲下沉帶下沉速度時，深孔位移監測值達到峰值165mm(停采76d)，之后以彎曲下沉帶運動為主，兩者相對位移又開始減小，下降至107mm，采空區不斷壓實，采后165d上覆巖層趨于穩定。

(3)工作面停采90d為采空區上覆巖層的劇烈運動期，以裂縫帶內的巖層活動為主，最大位移速度達到55mm/d；停采75d位移速度為0，此后位移速度出現負值，裂縫帶活動緩和，以彎曲下沉帶內的巖層活動為主(持續約75d)，隨著采空區進一步壓實，停采165d位移速度在0～0.1mm/d波動，處于穩定階段。

3.2　巷道常規礦壓實測規律分析

工作面停采后，分別在鉆場前方、后方和鉆場內設置了10個觀測站，分別為巷道表面收斂(3個斷面各1個測站)、錨桿受力(4個測站，共20個測點)、多點位移(3個測站，共9個測點)，如圖3所示。6月9日至12月18日開展持續全方位實測研究，分析采動影響下巷道的開挖最佳時機。巷道礦壓測試地點雖然是10煤層巷道，但10煤層采動巷道的穩定性由1001工作面采動和觀測巷道開挖兩者共同決定，因此，通過10煤層采動巷道穩定時間可以確定上覆8煤層巷道開挖時機上限，而最佳開挖時機下限即是上覆巖層活動穩定時間。

圖3　巷道測站布置示意

3.2.1巷道圍巖位移規律3.2.1.1巷道圍巖變形規律

巷道圍巖用表面收斂儀測量，精度較高，通過6個多月的礦壓觀測，得到桃園煤礦1001工作面鉆場附近3個巷道的斷面的收斂情況，如圖4所示，總結得出如下規律：

(1)工作面停采約180d，各測點的兩幫位移變化基本穩定。

(2)各測點變化趨勢基本一致。KD2測點兩幫累計位移量最大，達37.11mm，其次為KD3測點和KD1測點，分別為28.25mm和16.4mm。

分析原因可知，KD2測點在鉆場內，靠近鉆場和巷道形成的交叉區域(跨度大)，受1001工作面支承壓力的影響較強烈，導致其表面收斂量較大。而KD1測點所在位置，在工作面停采后，礦方反復施工加固，致使其巷道表面收斂量非常小。

(3)各測點的變化均表現出明顯的階段性。以KD2點為例，第1階段為采后90d，兩幫的變形量急劇增大，累計變形達到20mm，進入第2次劇烈變化，強度較第1次小，持續時間約為90d，此階段累計變形為17mm，之后兩幫變形基本穩定，KD1和KD3變化趨勢與KD2基本相同。

圖4　圍巖變形量

3.2.1.2巷道圍巖變形速度變化規律

分析巷道圍巖變形速度可得(見圖5)：

圖5　圍巖變形速度

(1)KD1，KD2，KD3測點的兩幫最大變形速度0.86mm/d，2.55mm/d和2.1mm/d，對應的工作面停采時間分別為20d，38d和14d。

(2)圍巖變形速度均呈現逐漸衰減的趨勢。工作面停采180d，兩幫變形基本達到穩定，各測點位移速度均趨向于0。

(3)各測點的圍巖變形速度均呈現出明顯的階段性和周期性衰減的變化規律。

停采初期，采場上覆巖層處于劇烈移動期，導致工作面支承壓力不斷變化調整，巷道受采動影響的程度實時變化，巷道變形速度也動態響應，其具體表現為震幅大，周期短；隨著停采時間的增加，采場上覆巖層活動逐漸趨于緩和，巷道變形速度表現為震幅減小，周期明顯延長，最終趨于穩定。

3.2.2錨桿受力分析

6月9日在鉆場附近設置了4個觀測斷面，每個斷面布置5個錨桿測力計，觀測時間長達0.5a，同一斷面的測點布置如圖6所示。

圖6　錨桿測力計測點布置

測力計觀測結果如圖7，得出如下規律：

圖7　部分錨桿測力計示數變化

(1)錨桿測力計讀數最終基本趨于穩定，穩定時間約為180d。

(2)幫部錨桿受力普遍大于頂板錨桿受力，兩幫錨桿受力呈下大上小的趨勢。讀數最大的錨桿位于右幫下側，最小的是右幫上側(KD5和KD6測點左幫下測力計安裝有問題，可不予考慮)，排序為：右幫下>左幫下>左幫上>中頂>右幫上。表明在支承壓力的作用下，巷道幫部的變形總體上較頂板變形大，而右幫上錨桿受力最小，說明半圓拱巷道幫上肩窩部位破壞嚴重，錨桿錨固范圍內圍巖松散破碎，整體移動，錨桿張拉力較小。各測點穩定后的讀數見表1。

表1　KD4～KD7測點的測力計讀數　MPa

(3)錨桿受力也呈現出明顯的階段性，與圍巖的變形量和變形速度呈現的階段性一致。KD4和KD7的右幫下讀數尤為明顯。分析可知，變化第1個階段為90d，錨桿受力變化較快，受力較大，此時KD4和KD7的右幫下讀數分別由0增大至5.7MPa和8.5MPa；第2階段，由于測力計與錨桿不良接觸，部分錨桿受力有所下降，KD4和KD7的右幫下讀數分別由5.7MPa和8.5MPa降至4.8MPa和6.7MPa，之后測力計讀數又逐漸增大，但增幅較第1階段明顯較弱，說明采空區上覆巖層活動較前一階段有所緩和，此時KD4和KD7的右幫下讀數分別由4.8MPa和6.7MPa升至5.3MPa和8.1MPa；經過約180d的變化，錨桿受力完全穩定，KD4和KD7的右幫下讀數分別為5.3MPa和8.1MPa。

根據上覆巖層活動及巷道礦壓顯現分析，兩者均表現出階段性的特征，二者緊密相關。上覆巖層活動傳遞應力進而影響巷道，巷道圍巖變形和錨桿受力相應地表現出階段性響應特征(停采180d后穩定)，具體表現為巷道表面開裂形成裂縫、噴層部分脫落。但這種響應具有一定的滯后性，滯后上覆巖層15d穩定。

4結論

(1)上覆巖層活動具有階段性，第1階段為活動劇烈期，以裂縫帶內巖層活動為主，持續時間約為90d；第2階段為活動緩和期，以彎曲下沉帶內巖層活動為主，持續時間約為75d；之后為巖層活動穩定期。

(2)受采動影響的巷道呈階段性滯后響應，滯后上覆巖層15d穩定。

(3)桃園煤礦1001工作面上覆巖層穩定時間為165d，巷道開挖最佳時機為采后165～180d。

[參考文獻]

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[責任編輯：林健]

湖南省首次找到儲量超300Mt的煤礦區

日前，從湖南省煤炭地質勘查院獲悉，該院承擔的湖南省首個煤炭整裝勘查項目——攸縣黃蘭煤炭整裝勘查取得重大突破，共探獲煤炭資源儲量343Mt。專家表示，能發現資源量超億噸的煤礦區，不僅在湖南，就是在整個缺煤的南方省份都屬罕見。

湖南省煤炭地質勘查院院長何紅生表示，這是湖南省首次找到儲量超過300Mt的煤礦區，對煤炭資源緊缺的湖南省來說意義重大。該項目探明的煤炭儲量，為附近正在建設、即將投產的大唐華銀攸縣煤電一體化項目提供了充足的煤炭資源。

摘自《煤炭信息》周刊 2015.1.22