大埋深、高地應力條件下回采工作面兩巷礦壓顯現規律研究

朱貴禎

（冀中能源張礦集團宣東礦，河北 張家口 075000）

張家口宣東礦位于河北省張家口市宣化區東南，礦井開采深度800m以上，為高瓦斯突出礦井，井田煤系地層為侏羅系中統下花園組，巖性主要由泥巖、粉砂巖加少量炭質泥巖組成，圍巖條件較差。隨著采掘工程的進行,回采巷道由于支護參數不合理造成巷道短時間破壞、變形，每月整修、極大浪費了人力、財力和物力，同時也造成了冒頂隱患。為研究回采工作面采動對兩巷礦壓顯現情況,判別回采期間巷道圍巖的穩定狀態，驗證巷道錨桿的支護參數設定是否合理，決定在Ⅲ3306回采工作面進行礦壓監測、研究。

1 工作面概況

宣東礦井田為一NE走向、SE傾向的單斜構造，地層平緩，傾角5°～15°，井田內構造較簡單，落差在30m以上的斷層僅有一條(F2)，且為井田邊界，落差小于5m的小斷層較為發育。共有5層可采煤層，其中較穩定可采的煤層為侏羅系下統下花園組Ⅲ3、Ⅴ2煤層，分2個開采水平，正在開采-230水平Ⅲ3煤層，井田內巖漿巖侵入比較廣泛，主要位于9勘探線以東煤系地層中厚度約240m的輝綠巖巖床和9勘探線以西的輝綠巖巖脈，位于Ⅲ3煤層頂30.38～102.72m，平均距Ⅲ3煤層54.72m。礦井最大水平主應力64.93～73.61MPa，側壓系數在2.62～3.49，該礦水平構造應力占主導地位，最大剪應力較大（20.07～24.81MPa），屬于高地應力礦井。Ⅲ3306回采工作面屬于Ⅲ3煤層三采區工作面，埋深800m，平均煤厚2.4m，傾角5°，煤層堅固系數0.52。直接頂厚2.05m，硬度4.73，基本頂厚9.3m，直接底和基本底厚10.12m，硬度4.34，均為粉細砂巖互層。工作面走向長570m，傾斜長160m，采用單一走向長壁一次采全高綜合機械化采煤法，采空區頂板處理采用全部垮落法。

2 礦壓監測設計

2.1 工作面礦壓監測方法選擇

目前礦山壓力研究常用的方法有三種[1-2]：數學力學分析方法、模擬試驗方法、現場監測方法，本礦選擇現場監測方法。現場監測方法是根據地下開采活動引起的礦山壓力顯現的特征，直接在現場進行觀測和記錄，利用各種儀器儀表量測支架載荷、巖體變形位移、巖體內應力、巖體力學特性等數值大小，從而可以分析得到地質、生產技術因素與礦山壓力顯現的經驗函數關系，用以解決實際生產技術問題，同時，在匯總大量觀測數據與調查資料的基礎上，將能總結出礦山壓力的普遍規律，促進礦山壓力理論研究的發展[3-4]。

2.2 監測方案設計

本研究項目采用中國礦業大學（北京）工程力學測試技術研究所最新研發的KJ624煤礦頂板動態監測系統[5-6]，對306軌道順槽巷道圍巖變形、圍巖應力及兩幫錨桿應力進行在線監測，對306回風斜巷部分巷道圍巖應力進行在線監測，對306工作面回采過程中所引起的礦壓顯現及變形規律，將現場監測、實驗室模擬、數值分析與理論分析相結合，研究巷道圍巖活動規律，建立由監測到預測的新方法，為支護設計、煤柱設計及優化提供參考數據。監測內容有：

（1）離層位移監測。對實驗巷道的頂板、兩幫隨工作面回采而產生的變形及離層量進行實時監測。

（2）錨桿拉力監測。對實驗巷道的頂板、側幫錨桿隨工作面回采的拉力變化進行實時監測。

（3）圍巖應力監測。對實驗巷道側幫的煤巖體隨工作面回采的應力變化進行實時監測。

為了研究306軌道順槽巷道在306工作面回采過程中的圍巖變形及礦壓變化規律，依據306軌道順槽設計方案示意圖及現場施工情況對礦壓監測測點布設做如下設計（見圖1、2）。

圖1 306巷道礦壓監測設計圖

（1）離層位移監測布置

在306軌道順槽巷道右幫（煤體一側）布設3個位移監測儀，分別位于采位67m、140m和152m處。

在306軌道順槽巷道頂板布設4個位移監測儀，分別位于采位67m、100m、117m和146m處。

在306軌道順槽巷道左幫（工作面一側）布設5個位移監測儀，分別位于采位67m、100m、117m、140m和152m處。

（2）錨桿拉力監測布置

在306軌道順槽巷道頂板布設6個礦用錨桿（索）應力傳感器，分別位于采位55m、67m、100m、117m、146m和152m處。

在306軌道順槽巷道左幫布設6個GMY300礦用錨桿（索）應力傳感器，分別位于采位55m、67m、100m、117m、146m和152m處。

（3）圍巖應力監測布置

在306軌道順槽巷道右幫（煤體一側）布設2個GPD礦用壓力傳感器，分別位于采位55m和67m處。

在306軌道順槽巷道左幫（工作面一側）布設10個GPD礦用壓力傳感器，分別位于采位5m叉巷兩側、55m、67m、100m、117m、146m、152m、168m和178m處。

圖2 巷道斷面測點布設示意圖

3 礦壓監測及數據分析

306采面試采結束后共推采7個月（見圖3），隨著采面推采在觀測地點實時監測巷道離層、錨桿拉力及圍巖變化情況，一共9個監測點，停采里程為76m，位于67m點和100m點中間，根據9個點觀測數據變化情況，選取以152m觀測點為例。

圖3 306回采工作面推采平面圖

3.1 離層位移監測

觀測點距離工作面推采位置80m以上時，未受回采擾動影響；距離工作面距離小于50m，觀測點處頂板離層位移開始受到回采擾動的影響，距離回采工作面約43m時，幫離層位移迅速增加，且增加速率加大，該點處最大離層位移90.5mm，處于巖體安全變形范圍之內，位移變化見圖4。

圖4 152m點離層位移變化圖

3.2 錨桿拉力監測

觀測點頂板錨桿前期拉力值較小，在36kN左右穩定，在監測后期距離回采工作面約50m時，頂板錨桿拉力有較明顯的增加，距離回采工作面約43m時，頂板錨桿拉力迅速增加，且增加速率加大，分析認為此時該點處巖體應力開始受到回采擾動的影響，且擾動影響逐漸明顯。該點處錨桿最大拉力約182kN，處于錨桿抗拉強度范圍之內。拉力變化見圖5。

圖5 152m點錨桿拉力變化圖

3.3 圍巖應力監測

觀測點處巖體前期應力值較小，在3MPa左右穩定，在監測后期距離回采工作面約50m時，巖體應力有較明顯的增加，距離回采工作面約43m時，巖體應力迅速增加，且應力增加速率加大，分析認為此時該點處巖體應力開始受到回采擾動的影響，且擾動影響逐漸明顯。該點處最大應力約22.3MPa，處于巖體支護強度范圍之內。應力變化見圖6。

圖6 152m點圍巖應力變化圖

4 結論

根據監測數據可知：306軌道順槽巷道超前礦壓顯現距離約為43m，此距離可作為預警距離，根據43m范圍內巷道所受的應力、位移變化情況，應有針對性采取提高支護強度措施，如加密臨時單體支護、施工補強錨索。