下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆煤巷的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律分析

馮艷杰

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032)

下保護(hù)層的開(kāi)采不可避免地導(dǎo)致上覆巖層的彎曲下沉變形，形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，在巖層卸壓區(qū)域邊緣形成應(yīng)力升高區(qū)，區(qū)域內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育[1-5]。布置在該區(qū)域的巷道受?chē)鷰r應(yīng)力變化發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的“松軟散”特征。張華磊等[6]采用FLAC對(duì)下保護(hù)層開(kāi)采引起上覆巖層的卸壓變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出下保護(hù)層開(kāi)采會(huì)使上覆巖層產(chǎn)生大量裂隙，根據(jù)巷道斷面變形量的大小確定卸壓影響范圍；劉彥偉等[7]采用力學(xué)分析和數(shù)值模擬的方法對(duì)上覆煤巷的應(yīng)力分布、位移變化等進(jìn)行了分析，得出層間距越大，卸壓程度越小，最大應(yīng)力集中位置越靠近采空區(qū)，卸壓范圍也越小。

受工作面采動(dòng)影響，巷道呈現(xiàn)出明顯的頂板下沉、兩幫內(nèi)擠、底板鼓起等變形特征，嚴(yán)重影響了工作面的正常生產(chǎn)。因此，為有效控制此類(lèi)巷道圍巖穩(wěn)定，需要對(duì)巷道受力變化特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

1 煤層群上行開(kāi)采機(jī)理

上行開(kāi)采能否順利實(shí)施主要與下煤層的開(kāi)采方法、煤層間距與下層煤的采高、上下煤層的開(kāi)采時(shí)間間隔、煤層間巖性及結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。

煤層群上行開(kāi)采原則為下保護(hù)層的開(kāi)采不能對(duì)上覆煤層造成強(qiáng)烈的采動(dòng)影響。上覆煤層的彎曲下沉是難以避免的，但應(yīng)保證上覆煤層具有一定的完整性，煤層不產(chǎn)生較大范圍的滑動(dòng)和錯(cuò)位。

采用上行開(kāi)采順序，由于下煤層開(kāi)采破壞了原始地應(yīng)力平衡，巖層擾動(dòng)后應(yīng)力重新分布，形成一個(gè)新的平衡狀態(tài)[8-11]。當(dāng)巖體的極限強(qiáng)度低于二次分布應(yīng)力時(shí)，不可避免地導(dǎo)致上覆巖層下沉變形并達(dá)到破壞狀態(tài)。巖層發(fā)生變形破壞后，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的開(kāi)采裂縫，導(dǎo)致煤層整體將被破壞，巖體的剪切變形會(huì)引起煤或巖體的臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。但隨著時(shí)間的推移，開(kāi)采裂隙在一定程度上和范圍內(nèi)進(jìn)入壓實(shí)閉合狀態(tài)。因此，要順利實(shí)施上行開(kāi)采，并達(dá)到理想的開(kāi)采效果，關(guān)鍵在于找出圍巖裂隙破壞發(fā)展規(guī)律，重點(diǎn)在于控制煤層上覆巖層的層間滑動(dòng)和臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。

某礦11233運(yùn)輸巷屬于上煤層工作面的回采巷道，位于其下方的11269回風(fēng)巷屬于下煤層工作面的回采巷道，其巷道空間布置關(guān)系如圖1所示。11233運(yùn)輸巷受11269工作面回采影響，巷道變形嚴(yán)重。為了解11269工作面回采對(duì)11269回風(fēng)巷及11233運(yùn)輸巷的采動(dòng)影響，在工作面回采過(guò)程中，對(duì)11269回風(fēng)巷和11233運(yùn)輸巷的支承壓力進(jìn)行了觀測(cè)，將收集到的數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)，找出11269工作面回采對(duì)11233運(yùn)輸巷支承壓力分布的影響特點(diǎn)。為今后類(lèi)似條件下工作面的回采提供參考依據(jù)。

圖1 巷道空間布置關(guān)系(m)

2 測(cè)量?jī)x器

本次研究主要采用礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備YHY-60型單體柱壓力測(cè)量?jī)x，配合紅外線礦用手持采集器對(duì)巷道進(jìn)行支承壓力的測(cè)量，測(cè)量?jī)x器如圖2所示。在巷道的不同位置處布置測(cè)點(diǎn)，將壓力測(cè)量?jī)x安裝在單體液壓支柱上，通過(guò)紅外線礦用手持采集器按照紅外協(xié)議采集數(shù)據(jù)到采集器，然后帶到井上通過(guò)傳輸接口輸入到計(jì)算機(jī)里面，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖2 測(cè)量?jī)x器實(shí)物

3 支承壓力監(jiān)測(cè)方案

工作面超前支承壓力是巷道超前支護(hù)的主要依據(jù)[12-13]。在工作面11269回風(fēng)巷及上覆煤層11233運(yùn)輸巷安裝YHY-60型單體柱壓力測(cè)量?jī)x，每隔3～5 d用紅外線礦用手持采集器采集并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)將測(cè)力儀清零。重復(fù)上述工作，直至本工作面回采結(jié)束。具體測(cè)點(diǎn)布置如下：

1) 在11269回風(fēng)巷停采線位置往里10 m布置2號(hào)測(cè)點(diǎn)，并安裝單體柱壓力測(cè)量?jī)x，停采線位置往里30 m布置4號(hào)測(cè)點(diǎn)，并安裝單體柱壓力測(cè)量?jī)x。

2) 在11233運(yùn)輸巷中對(duì)應(yīng)于11269回風(fēng)巷2號(hào)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)位置布置1號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)，并分別安裝單體柱壓力測(cè)量?jī)x，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間距離為20 m。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將兩條巷道的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)整理后，按距工作面的距離將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)取平均值，得出11269回風(fēng)巷支承壓力分布規(guī)律及擬合曲線如圖4所示，11233運(yùn)輸巷支承壓力分布規(guī)律及擬合曲線如圖5所示。為了更直觀的對(duì)比分析，11269回風(fēng)巷與11233運(yùn)輸巷支承壓力對(duì)比曲線如圖6所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

圖4 11269回風(fēng)巷支承壓力分布規(guī)律

圖5 11233運(yùn)輸巷支承壓力分布規(guī)律

圖6 支承壓力對(duì)比曲線

由圖4可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，單體柱壓力測(cè)量?jī)x距煤壁距離越來(lái)越近，支承壓力隨之增加，在距煤壁大約30 m處，第一次出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，為12.8 MPa，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，在距煤壁大約18 m位置處，支承壓力峰值達(dá)到15.1 MPa，其支承壓力擬合曲線呈6次多項(xiàng)式分布，這是一條理想情況下的支承壓力分布曲線；從擬合曲線可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，支承壓力不斷增加，最終達(dá)到一個(gè)峰值，隨后又開(kāi)始下降。由圖5可以看出，隨著11269工作面的不斷推進(jìn)，11233運(yùn)輸巷支承壓力隨之增加，在距煤壁大約35 m處，第一次出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，為7.2 MPa，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，在距煤壁大約15 m位置處，支承壓力峰值達(dá)到8.4 MPa，其支承壓力擬合曲線也大致呈6次多項(xiàng)式分布；從擬合曲線可以看出，隨著11269工作面的不斷推進(jìn)，其支承壓力也不斷增加，最終達(dá)到一個(gè)峰值，隨后又開(kāi)始下降。

由圖6可以看出，隨著11269回風(fēng)巷支承壓力的不斷增加，11233運(yùn)輸巷支承壓力也隨之增大，曲線分布走勢(shì)大致相同。受到下部11269工作面的采動(dòng)影響，上部11233運(yùn)輸巷在11269工作面煤壁距測(cè)點(diǎn)50 m處，其支承壓力就開(kāi)始呈增大趨勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 隨著下部工作面的不斷推進(jìn)，其上部回采巷道前方支承壓力也隨之發(fā)生變化。下部工作面的采動(dòng)應(yīng)力會(huì)直接作用在上部巖層中，導(dǎo)致處于上部受影響區(qū)域的巷道圍巖發(fā)生變形。

2) 11269回風(fēng)巷支承壓力峰值點(diǎn)位置在距工作面約18 m左右，11233運(yùn)輸巷壓力峰值點(diǎn)位置在對(duì)應(yīng)11269工作面約15 m左右。根據(jù)上述支承壓力的分布規(guī)律及巷道圍巖的變形，11269回風(fēng)巷其超前支承壓力影響范圍在55 m以上，11233運(yùn)輸巷其超前支承壓力影響范圍至少為50 m，取安全系數(shù)1.2～1.5，則應(yīng)預(yù)先從11233工作面前方60～75 m范圍內(nèi)開(kāi)始對(duì)巷道加固，11269工作面則應(yīng)在66～82 m范圍內(nèi)對(duì)巷道進(jìn)行加固。