保護層開采條件下被保護層煤體變化規(guī)律研究

王文林 馬 賽

（1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006； 2.山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

隨著淺部易采資源逐漸減少，開采正在逐漸向高瓦斯、高應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移[1-2]。對于多煤層賦存井田，可以進行保護層開采[3]，在保護層開采過程中，被保護層煤體的應(yīng)力如何變化、煤體結(jié)構(gòu)是否遭到破壞、煤體沉降規(guī)律等均需要進行深入研究[4-5]。以寺河二號井為試驗礦井，采用現(xiàn)場實測的方法，對保護層開采過程中被保護煤體的應(yīng)力變化規(guī)律、受影響程度、沉降規(guī)律進行研究，為保護層開采提供依據(jù)。

1 工程概況

寺河二號井井田范圍內(nèi)有3 層可采煤層，分別為3#、9#、15#煤，煤層間距分別為50 m、45 m。3#煤層平均厚度為5.9 m，多數(shù)為高瓦斯和突出區(qū)域，9#和15#煤平均厚度為1.5 m、2.4 m，具備良好的保護層開采自然條件。采用上行開采，進行下保護層開采，可以最大限度地解放3#煤層。

94302 工作面開采9#煤層，工作面傾斜長度為150 m，走向長度492 m，平均開采厚度為1.5 m，其上方50 m處的3#煤層中，布置有六西北二運輸巷，如圖1 所示。以六西北二運輸巷為觀測巷道，觀測94302 工作面回采過程中3#煤體變化規(guī)律，為保護層開采提供依據(jù)。

圖1 94302 工作面與觀測巷道關(guān)系

2 3#煤體應(yīng)力變化規(guī)律

2.1 應(yīng)力測點布置

工作面回采前，在3#煤運輸巷內(nèi)布置5 個鉆孔應(yīng)力計，從內(nèi)向外依次編號為1#、2#、3#、4#、5#，如圖1 所示。相鄰兩個鉆孔應(yīng)力計間距為5 m，鉆孔均垂直于觀測巷幫煤壁施工，安裝深度均為10 m，采用油枕型鉆孔應(yīng)力計，初始注油應(yīng)力為8 MPa。

2.2 煤體應(yīng)力變化規(guī)律

工作面回采過程中持續(xù)對各鉆孔應(yīng)力計測點進行數(shù)據(jù)采集，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析。在5 個應(yīng)力測點中，1#與5#鉆孔應(yīng)力計工作正常，規(guī)律比較明顯，2#、3#、4#應(yīng)力計工作不正常，監(jiān)測數(shù)據(jù)無明顯變化。以1#、5#為例對煤體應(yīng)力的變化進行分析，應(yīng)力變化曲線如圖2 所示。

圖2 3#煤體應(yīng)力變化曲線圖

由應(yīng)力變化曲線可以看出，受下方9#煤工作面回采影響，3#煤體應(yīng)力在超前9#煤工作面50 m 開始增高，超前下方工作面12～19 m 處應(yīng)力達到最大值。其中1#測點在工作面前方19 m 處達到最大應(yīng)力值，為13.9 MPa，5#測點在工作面前方12 m 處達到最大值，為14.6 MPa。隨著工作面的繼續(xù)推進，應(yīng)力開始逐漸降低，在工作面回采過測點正下方后應(yīng)力降低速度變大，并在工作面后方12 m 處降至最小值。其中1#測點應(yīng)力值2.1 MPa，5#測點應(yīng)力值為2.3 MPa。在工作面后方12 m 以遠區(qū)域煤體應(yīng)力又逐漸增高，并在工作面后方62 m 處逐漸趨于穩(wěn)定。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，重新穩(wěn)定區(qū)域應(yīng)力略小于原始應(yīng)力，其中，1#測點應(yīng)力值7.2 MPa，5#測點應(yīng)力值為7.8 MPa。

3 3#煤體及頂板破壞規(guī)律

3.1 測試方案

通過鉆孔窺視方法，觀察采動前后3#煤體裂隙的發(fā)育情況。在下方工作面回采前，對3#煤體進行窺視，并通過圖像處理軟件，對鉆孔內(nèi)裂隙數(shù)量、寬度、角度等進行量取。待工作面回采過測試鉆孔100 m 后，再次對鉆孔進行窺視，分析采動前后煤體及頂板的破壞情況。

共施工3 個鉆孔，編號為1 號、2 號、3 號鉆孔，鉆孔水平方向垂直于巷幫，豎直方向上仰角為15°，鉆孔施工深度為40 m，開孔高度為1.5 m，孔口0～17 m 為煤孔，18～40 m 為頂板巖孔。為減少巷道的影響，煤孔0～8 m 區(qū)域不進行分析。

3.2 測試結(jié)果分析

以1 號孔觀測數(shù)據(jù)為例進行分析。受采動影響前，3#煤體以及頂板內(nèi)均存在原生裂隙，如圖3所示。受下部工作面采動影響后，3#煤體以及頂板巖層內(nèi)，有新裂隙生成，如圖4 所示。

圖3 1 號鉆孔采前圖片

圖4 1 號鉆孔采后圖片

對3#煤體裂隙數(shù)量、角度、寬度進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 采動前后煤巖體裂隙發(fā)育情況

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，工作面回采前，3#煤體及頂板內(nèi)均有原生裂隙存在，裂隙與水平面角度多在20°以下，裂隙寬度基本在2 mm 以內(nèi)。受下方工作面采動影響，煤體內(nèi)裂隙由采前的5 條增加至13 條，頂板裂隙由采前的2 條增加至10 條，說明下方工作面回采對上覆3#煤層及頂板有直接影響作用。但是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，新生成裂隙多以小角度和低寬度為主，說明受采動影響后，上方3#煤及頂板主要表現(xiàn)為煤巖體損傷，整體結(jié)構(gòu)并未受到破壞。

4 3#煤體沉降規(guī)律

4.1 觀測方案

為了解保護層開采過程中被保護層煤體沉降規(guī)律，在3#煤觀測巷道內(nèi)，沿煤層底板布置13 個觀測點，以煤層底板沉降規(guī)律來反應(yīng)3#煤體沉降規(guī)律，同時對各測點處巷道表面位移進行觀測，消除巷道底鼓對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

4.2 觀測結(jié)果分析

以1 號沉降點為例，分析不同時期3#煤層的沉降規(guī)律，1 號測點的沉降曲線如圖5 所示。

圖5 1 號沉降點沉降曲線

從圖中可以看出，煤層沉降主要分為3 個階段：

（1）初始沉降階段。從工作面前方20 m 開始，至工作面回采至測點正下方，該階段巖層在豎直方向沉降不明顯。當(dāng)工作面回采至距離測點2 m 時，測點出現(xiàn)微小的抬升現(xiàn)象，抬升值為27 mm，但隨著工作面的推進很快消失。

（2）劇烈沉降階段。當(dāng)工作面回采過監(jiān)測點0～43 m 時，巖層的沉降速度開始明顯增大，3#煤體開始出現(xiàn)快速沉降，該階段沉降量為1071 mm。

（3）沉降衰退階段。當(dāng)工作面推過監(jiān)測點43 m以遠時，煤體沉降逐漸趨于緩和，在工作面后60 m處基本趨于穩(wěn)定，整體沉降量1154 mm。

5 結(jié)論

（1）受下部工作面回采影響，被保護層煤體超前下部工作面50 m 開始有應(yīng)力增高現(xiàn)象，在工作面前方12～19 m 處達到應(yīng)力最大值，在工作面后方12 m 處降至最低值，工作面后方12 m 以遠應(yīng)力開始恢復(fù)，并在工作面后方62 m 處趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時煤體應(yīng)力值略小于原始應(yīng)力。

（2）下部工作面的回采對3#煤體及頂板產(chǎn)生直接影響，煤體內(nèi)部出現(xiàn)新生裂隙及裂隙增生，但裂隙發(fā)育多以小角度、低寬度為主，主要表現(xiàn)為煤、巖體內(nèi)部的損傷，并未造成煤巖體的破壞。

（3）隨著下部工作面回采，3#煤體沉降主要分為3 個階段：在工作面前方20 m 至工作面正上方區(qū)域為初始變形階段，變形較小；工作面后方0～43 m 為劇烈沉降階段；工作面后方43 m 開始為沉降衰退階段，并從工作面后方60 m 開始沉降逐漸趨于穩(wěn)定，最大沉降量為1154 mm。