深部巖巷采動礦壓監(jiān)測研究

漆寒冬

（新汶礦業(yè)集團(tuán)有限公司華豐煤礦，山東泰安 271416）

0.引言

華豐煤礦-1180西巖巷埋深約1300m，位于2316工作面?zhèn)认路剑?dāng)2613工作面開采線持續(xù)推進(jìn)時，工作面兩側(cè)的側(cè)向支承壓力和超前支承壓力會逐漸增大，水平荷載將會降低，-1180西巖巷的圍巖應(yīng)力場會產(chǎn)生變化，巷道在采掘擾動影響下逐漸變形破壞。為了分析2613工作面推進(jìn)過程中對-1180西巖巷的采動影響規(guī)律，在西巖巷布置4個監(jiān)測斷面，分別開展圍巖鉆孔應(yīng)力監(jiān)測、錨桿/錨索等支護(hù)體承載力監(jiān)測以及巷道變形監(jiān)測3部分，以揭示深部巖巷采掘擾動圍巖破壞機(jī)理。

1.-1180西巖巷采掘擾動監(jiān)測設(shè)計

1.1 監(jiān)測目的

（1）通過鉆孔應(yīng)力監(jiān)測可以得出圍巖鉆孔應(yīng)力變化曲線，結(jié)合工作面開采線的現(xiàn)位置及推進(jìn)速度可以得出巷道圍巖鉆孔應(yīng)力隨開采線推進(jìn)時的變化曲線[1]。

（2）通過巷道現(xiàn)有支護(hù)體（錨桿/索）承載力的監(jiān)測可以得出錨桿、錨索承載力隨時間的變化曲線，結(jié)合工作面開采線的現(xiàn)位置及推進(jìn)速度可以得出巷道現(xiàn)有支護(hù)體隨開采線推進(jìn)時的變化曲線。

（3）通過巷道變形監(jiān)測可以得出巷道不同位置的圍巖變形曲線，結(jié)合工作面開采線的現(xiàn)位置及推進(jìn)速度可以得出巷道變形隨開采線推進(jìn)時的變化曲線。

1.2 監(jiān)測儀器及監(jiān)測內(nèi)容

1.2.1 監(jiān)測儀器

監(jiān)測采用儀器購置于山東某公司，系統(tǒng)在地面設(shè)置監(jiān)測服務(wù)器，在井下需要進(jìn)行監(jiān)測巷道中根據(jù)現(xiàn)場具體需要安設(shè)監(jiān)測設(shè)備，井上、井下之間通過工業(yè)以太網(wǎng)（光纖或電話線）相連接。井下監(jiān)測巷道中監(jiān)測設(shè)備采用無線傳輸，監(jiān)測子站與監(jiān)測設(shè)備之間進(jìn)行無線傳輸，監(jiān)測子站通過通信電纜連接進(jìn)入井下數(shù)據(jù)采集分站，數(shù)據(jù)采集分站接入礦上現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)交換機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

1.2.2 監(jiān)測內(nèi)容

（1）圍巖鉆孔應(yīng)力監(jiān)測。圍巖鉆孔應(yīng)力監(jiān)測所用儀器包括單通道鉆孔應(yīng)力計、雙通道鉆孔應(yīng)力計和鉆孔應(yīng)力傳感器3種，鉆孔應(yīng)力傳感器通過三通閥與鉆孔應(yīng)力計相連接。鉆孔應(yīng)力計采用的是應(yīng)變測量技術(shù)，用來測量煤巖體的載荷應(yīng)力，將鉆孔周圍的煤巖體破壞變形產(chǎn)生的應(yīng)力變化傳遞到應(yīng)變體上并轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出到監(jiān)測子站。鉆孔應(yīng)力傳感器內(nèi)有電池，可以長期連續(xù)監(jiān)測[2]。

（2）圍巖現(xiàn)有支護(hù)體（錨桿、錨索）承載力監(jiān)測。圍巖現(xiàn)有支護(hù)體（錨桿、錨索）應(yīng)力監(jiān)測所用儀器是錨桿/索應(yīng)力傳感器，錨桿/索應(yīng)力傳感器是通過測定液壓枕油壓的變化來輸出錨桿、錨索端部所承受的載荷，可進(jìn)行井下錨桿/索應(yīng)力的連續(xù)監(jiān)測和記錄并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測子站。

巷道變形監(jiān)測所用儀器為激光測距儀和圍巖移動傳感器。監(jiān)測儀器安裝后采用通訊系統(tǒng)將所有傳感器激活并連通，形成自動數(shù)據(jù)備份與采集系統(tǒng)。

1.3 測點位置及儀器布置設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測斷面從2613下二石門與-1180西巖巷交岔口處向2613下一石門方向每隔50m布置一個監(jiān)測點，如圖1所示，A、B、C、D四個監(jiān)測點距2613下二石門的距離分別為200m、150m、100m、50m。

圖1 監(jiān)測點分布圖

監(jiān)測點A、B、C、D都位于-1180西巖巷中，A、C2個測點所布設(shè)的儀器相同，B、D 2個測點所布設(shè)的儀器相同。A、C兩測點安裝有4個單孔單通道鉆孔應(yīng)力計、2個單孔雙通道鉆孔應(yīng)力計、2個錨索應(yīng)力傳感器、2個激光測距儀和一個圍巖移動傳感器。B、D兩測點安裝有4個單孔單通道鉆孔應(yīng)力計、2個單孔雙通道鉆孔應(yīng)力計、2個錨索應(yīng)力傳感器、6個錨桿應(yīng)力傳感器和2個激光測距儀。

2.采動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 圍巖鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以B點為代表，根據(jù)工作面開采線推進(jìn)速度，繪制圍巖鉆孔應(yīng)力隨時間增長的變化曲線，如圖2、圖3所示，并標(biāo)出開采線與巷道監(jiān)測點的距離，圖中負(fù)值為開采線推進(jìn)至測點后方。

圖2 B測點3m深孔圍巖鉆孔應(yīng)力變化圖

從B監(jiān)測點鉆孔應(yīng)力圖可以看出，監(jiān)測初期工作面開采線距監(jiān)測點75m，此時監(jiān)測點受采掘擾動影響不是很明顯，只有少數(shù)測點有變化。當(dāng)開采線推進(jìn)至距測點50m位置處時采掘擾動影響開始顯現(xiàn)，3m深位置的巷道圍巖兩幫鉆孔應(yīng)力呈下降趨勢，拱頂處水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力也在逐漸減小；6m深位置的巷道圍巖兩幫鉆孔應(yīng)力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，拱頂處水平應(yīng)力則呈現(xiàn)下降的趨勢，拱頂處垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當(dāng)工作面開采線推進(jìn)至測點后方50m位置處時采掘擾動影響逐漸變小，圍巖鉆孔應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 B測點6m深孔圍巖鉆孔應(yīng)力變化圖

2.2 采動監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析

選取工作面開采線推進(jìn)過程中受采掘擾動影響比較完整的B測點拱頂及右?guī)蛧鷰r鉆孔應(yīng)力、錨桿/索應(yīng)力及圍巖變形情況進(jìn)行綜合分析，如圖4、圖5所示。

圖4 3m深點圍巖鉆孔應(yīng)力與錨桿應(yīng)力綜合分析

圖5 6m深點圍巖鉆孔應(yīng)力與錨桿應(yīng)力綜合分析

巷道在采掘擾動影響下3m深處圍巖鉆孔應(yīng)力在不斷下降，巷道表面6m位置處圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，巷道圍巖在采掘擾動影響下碎裂區(qū)不斷增大，圍巖應(yīng)力峰值逐漸向外轉(zhuǎn)移。巷道在采掘擾動影響下淺部圍巖因為承受不住較大應(yīng)力而通過變形來釋放應(yīng)力，淺部圍巖不斷變形破碎，圍巖碎脹變形的直接影響就是圍巖中碎脹壓力的不斷增大，從而導(dǎo)致作用在巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)上的載荷也在逐漸增大，錨桿和錨索的應(yīng)力都在采掘擾動影響下逐漸增大。當(dāng)錨桿和錨索承受載荷超過其極限承載力后巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，巷道變形也隨之增大。巷道變形量隨著錨桿錨索應(yīng)力的增大而逐漸增大，當(dāng)錨桿錨索被拉斷或錨固端失效時巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)將不能再對巷道支護(hù)起到作用，巷道破壞加劇。根據(jù)工作面開采線距監(jiān)測點距離不同時巷道受不同采動應(yīng)力的影響，可以清楚地劃分出3個階段：弱擾動階段、擾動增強(qiáng)階段和擾動減弱階段。

3.主要結(jié)論

（1）-1180西巖巷受到較為強(qiáng)烈的采掘擾動影響，巷道表現(xiàn)為表面產(chǎn)生位移、圍巖垂直應(yīng)力先升高后降低、圍巖水平應(yīng)力降低、圍巖應(yīng)力峰值向外移動、圍巖塑性區(qū)逐漸增大及支護(hù)體承受載荷增大，工作面開采線距巷道監(jiān)測斷面距離不同時，礦壓在巷道內(nèi)顯現(xiàn)的程度也有較大差異[3]。

（2）當(dāng)受深部采掘擾動時，深部圍巖受超前壓力影響垂直應(yīng)力增大致使淺部圍巖碎裂區(qū)不斷擴(kuò)大，巷道垂直應(yīng)力釋放區(qū)逐漸向外發(fā)展并不斷朝平行于煤層方向發(fā)展，圍巖承載范圍變大導(dǎo)致圍巖迅速破壞，承載力不斷降低；水平應(yīng)力在圍巖體內(nèi)受采動影響不斷沿著煤層傾角方向釋放，巷道兩幫和頂板水平應(yīng)力減少量較大。巷道圍巖承載力隨著應(yīng)力釋放區(qū)增大而減小，使巷道受到拉壓剪破壞而變形失穩(wěn)。

（3）采掘擾動影響所產(chǎn)生的動壓，使圍巖體內(nèi)最大主應(yīng)力逐漸增大，最小主應(yīng)力逐漸減小，圍巖的主應(yīng)力差逐漸增大，最大主應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度極限時，巷道圍巖破壞導(dǎo)致強(qiáng)度降低，最大主應(yīng)力差峰值向圍巖深處轉(zhuǎn)移，巷道圍巖破碎區(qū)逐漸增大，巷道出現(xiàn)變形失穩(wěn)破壞。