沿空留巷擋矸應力演變及圍巖運動規律研究

王 壯,陳慶玉,陳慶釗,王在斌

(山東省邱集煤礦有限公司,山東 德州 251105)

沿空留巷技術是深部無煤柱開采的重要發展方向[1]。沿空留巷技術成功的應用,不僅對生產礦井進行技術改造、緩和采掘關系及延長礦井壽命具有現實意義,也是煤炭企業改善安全條件和技術經濟指標增產、增盈的主要途徑之一。近年來,我國部分礦區采用切頂卸壓沿空留巷技術,國內外學者對此做了大量的研究并取得了重要的理論研究成果[2-14]。現場工程實踐表明,在煤層采出后,基本頂斷裂位置大多發生在擋矸支柱外側和實體煤上方,其中以實體煤上方居多。1101工作面采用預裂爆破切頂卸壓技術,在預留巷道一側形成貫穿的切縫面,使得堅硬頂板斷裂位置發生在擋矸支柱外側,減小基本頂懸臂梁長度,提高巷道穩定性,對擋矸支護方案具有重要的現實意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

1101工作面屬邱集煤礦11#一采區,工作面標高-422 m～-338 m,位于11#集中軌道上山以西,北鄰西翼泄水巷保護煤柱,南至一采區膠帶巷,東鄰11#集中軌道上山保護煤柱,西側為1103工作面。1101工作面走向長100 m,傾斜長789 m。

根據巷道實際揭露情況分析,1101工作面范圍內煤層賦存較穩定,適合綜合機械化開采。采用傾斜長壁后退式采煤法,綜合機械化采煤,全部垮落法管理頂板,一次采全高,每循環推進度為0.8 m。工作面共安裝ZY6800/14/28D型掩護式支架66架,最小控頂距4 160 mm,最大控頂距4 960 mm。

1101工作面軌道順槽采用矩形斷面,規格為凈寬×凈高=4.0 m×2.5 m,SJ=10.09 m2,荒寬×荒高=4.2 m×2.6 m,SH=11.01 m2,兩順槽均為進風巷。根據設計,1101軌道順槽為預留巷道,為后期采煤工作面服務,補強支護采用普通錨索和單體液壓支柱支護。

1.2 煤層情況

該工作面煤層走向近東西,煤層傾角3°～8°,平均5°,煤厚1.8～2.4 m,平均煤厚2.1 m,煤層結構簡單且賦存比較穩定。煤為塊狀—粉末狀,以亮煤為主,含少量鏡煤、暗煤條帶及微量絲炭。

1.3 頂底板條件

煤層直接頂板為平均厚度2.01 m的五灰巖,五灰以上是平均厚度1.14 m的泥巖以及平均厚度5.13 m的四灰巖,四五灰巖平均厚度7.69 m。灰巖頂板的抗壓強度為127 MPa,為極堅固巖石,屬堅硬頂板。直接底板主要為粉砂巖,其次為泥巖或粘土巖,局部有炭質泥巖或黏土巖偽底,平均厚度為5.56 m。

2 擋矸壓力與巷道支護監測

邱集煤礦1101工作面為雙重灰巖復合頂板,堅硬不易垮落,采用切頂卸壓沿空留巷技術進行開采,既能提高煤炭回收率,巷道還可為下一個工作面服務。針對邱集煤礦1101工作面,采用GPD300礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器和YHJ65J激光測距儀來監測采動影響下巷道擋矸支護應力及巷道變形規律。

2.1 擋矸壓力監測點布置

工作面支架拉架后即開始對所留巷道沿空側采空區頂板垮落過程進行監測,主要監測采空區矸石側向壓力。在軌道順槽的擋矸工字鋼中部,距離開切眼30 m、70 m各布置一個測站,每個測站安裝一個GPD300 礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器。

GPD300礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器(簡稱擋矸傳感器)主要布置在采空區底擋矸支護結構上,用于監測冒落矸石在采動影響條件下的應力時空變化規律,以及隨工作面推進速度和距離變化影響下的擋矸支護分布規律。其量程為0～20 kN,經過改裝可安裝在擋矸工字鋼中部,監測擋矸支護側向受力。擋矸傳感器是由傳感器壓頭和采集器表頭組成,二者之間通過傳輸電纜進行連接,擋矸傳感器的壓頭位于采空區內。

2.2 巷道形變監測點布置

1101工作面軌道順槽布置4個巷道變形測站,共計4臺激光測距儀。

在軌道順槽距離開切眼30 m、70 m各布置1臺YHJ65J激光測距儀,監測擋矸支護兩幫的收斂量。在軌道順槽距離開切眼200 m和距離停采線200 m各布置一個測站,每個測站布置2臺YHJ65J激光測距儀,監測巷道頂底板和兩幫變形量,安裝位置詳情如表1所示。

表1 激光測距儀安裝詳情Table 1 Installation of laser rangefinders

3 結果與分析

3.1 留巷巷道擋矸壓力規律

36#擋矸壓力傳感器安裝在距離開切眼36.2 m位置,如圖1(a)所示。擋矸壓力傳感器在滯后工作面15 m位置處,擋矸壓力以每推進1 m增長0.17 kN的速度開始逐步上升;滯后工作面24～58 m范圍內擋矸壓力變化逐步趨于平穩;滯后工作面58 m擋矸壓力傳感器又開始逐步上升,截止到工作面推進至110 m(6月10日)儀器失效,擋矸壓力傳感器最大值為3.02 kN。擋矸壓力傳感器的直徑為210 mm,其最大應力為87 kPa。

圖1 擋矸壓力傳感器變化曲線Fig.1 Variation of blocking gangue pressure sensors

37#擋矸壓力傳感器安裝在距離開切眼66.5 m位置,如圖1(b)所示。擋矸壓力傳感器在滯后工作面11～19 m范圍內以每推進1 m增長0.06 kN的速度開始逐步上升;滯后工作面19～60 m范圍內擋矸壓力變化逐步趨于平穩;滯后工作面52 m擋矸壓力傳感器又開始逐步上升,截止到工作面推進至145.3 m(6月19日)儀器失效,擋矸壓力傳感器最大值為2.78 kN。

36#擋矸壓力傳感器與37#擋矸壓力傳感器對比分析如表2所示。擋矸壓力在滯后工作面平均14.5 m位置處開始增長,在滯后工作面21.5 m出現首次穩定。滯后工作面55 m位置處出現第2次增長,監測結果最大值為2.9 kN,擋矸壓力傳感器的直徑為210 mm,其最大應力為83 kPa。

表2 兩擋矸壓力傳感器監測結果Table 2 Monitoring results of twoblocking gangue pressure sensors

3.2 留巷巷道收斂變化規律

1101工作面推采過程中,共安裝4臺YHJ65J激光測距儀,其中101#、102#和104#激光測距儀監測巷道兩幫收斂量,103#激光測距儀監測巷道頂板表面下沉量,詳細信息如表3所示。激光測距儀安裝后,所監測到最大巷道頂板下沉量為228 mm,101#、102#和104#檢測到巷道兩幫收斂量分別為44 mm、260 mm和121 mm。

表3 激光測距儀安裝位置詳情Table 3 Installation of laser rangefinders

101號激光測距儀監測留巷兩幫收斂,其最大收斂量為44 mm。在安裝初期,距離推采工作面40 m時,巷道兩幫收斂量有明顯的上升,第二階段為距離工作面90～130 m時兩幫收斂量有所增加；截止距離工作面180 m時,巷道里程39.4 m處兩幫的移進量為44 mm,如圖2所示。

圖2 101#激光測距儀隨推采變化曲線Fig.2 Convergencevariationwith mining by No. 101 laser rangefinder

102號激光測距儀監測留巷兩幫收斂,其最大收斂量為260 mm。在安裝初期,距離推采工作面20 m時,巷道兩幫收斂量有明顯的上升,收斂量為50 mm;第二階段為距離工作面75～110 m時兩幫收斂量有所增加,此階段增長約80 mm；截止距離工作面300 m以外時,巷道里程69.5 m處兩幫移進量為260 mm,不再增加,如圖3所示。

圖3 102#激光測距儀隨推采變化曲線Fig.3 Convergencevariationwith mining by No. 102 laser rangefinder

103#激光測距儀位于巷道里程200 m位置,監測留巷頂板下沉量。在安裝初期,距離推采工作面30 m時,下沉量較大,為49 mm,此時處于留巷不穩定階段,工作面后方矸石逐步冒落密實；約280 m后,頂板移進量處于穩定狀態,最大下沉量為228 mm,如圖4所示。

圖4 103#和104#激光測距儀隨推采變化曲線Fig.4 Convergencevariationwith mining by No. 103 and No.104 laser rangefinder

104#激光測距儀,位于巷道里程200 m位置,監測留巷巷道兩幫收斂量。安裝初期,隨著頂板矸石垮落,兩幫有移進量明顯增加,約為46 mm;在361 m附近時巷道收斂量明顯增加,此時為工作面周壓顯現劇烈區段,影響工作面后方約130 m,周壓顯現劇烈過后,兩幫收斂量平穩增加并趨于穩定,最大移進量為121 mm。

綜上可得,巷道兩幫移進量遠小于巷道頂板下沉量,說明巷道擋矸效果明顯,在留巷初期,巷道處于不穩定狀態,收斂變形較大,約為進尺20 m范圍內收斂約50 mm左右。

4 結論

以邱集煤礦1101工作面為工程背景,分別采用GPD300 礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器和YHJ65J激光測距儀來監測巷道擋矸壓力及巷道變形規律,研究結果如下。

1)采用GPD300礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器對所留巷道碎石幫橫向壓力研究分析,監測結果表明:擋矸壓力在滯后工作面平均13 m位置處開始增長,在滯后工作面21.5 m出現首次穩定,滯后工作面55 m位置處出現第2次增長,兩臺監測儀器的監測結果最大值為3.02 kN,約為87 kPa。

2)架后擋矸支護隨變形增加工字鋼變形彎曲嚴重,但沒有發生漏矸現象,工字鋼大部分被壓彎,在后續施工中,保持此間距不變,將工字鋼靠近切縫線一側,可增大側向支護阻力,減少工字鋼因頂板下沉導致彎曲。

3)采用YHJ65J激光測距儀對留巷巷道收斂特性進行檢測,發現頂底板移進量大于兩幫收斂量,說明巷道擋矸效果明顯。在留巷初期,巷道處于不穩定狀態,收斂變形較大,所監測到最大巷道頂板下沉量為228 mm,巷道兩幫收斂變形在滯后工作面130 m逐步趨于穩定,兩幫最大收斂量為260 mm。