經坊煤礦綜放小煤柱工作面礦壓監(jiān)測設計及實踐研究

李斌勝

(山西省長治經坊煤業(yè)有限公司,山西 長治 047100)

經坊煤礦現開采沁水煤田太原組3#煤層,煤層埋深約300 m,煤層厚度6.3 m,采用綜采放頂煤工藝開采。目前，工作面開采保護煤柱設計為20 m,為提升煤炭資源回收率,擬推廣應用小(無)煤柱開采技術,將3-509工作面保護煤柱由20 m優(yōu)化設計為10 m煤柱。在3-509小煤柱工作面回風順槽施工中,受到鄰近工作面回采擾動影響,巷道不同區(qū)段都出現了一定程度的礦壓顯現。為了驗證小煤柱巷道支護設計的可靠性,急需對小煤柱礦壓顯現規(guī)律進行監(jiān)測分析[1]。目前,國內外對巷道礦壓監(jiān)測手段的應用研究主要集中在巷道離層監(jiān)測和表面位移監(jiān)測方面,多數礦井采用頂板離層監(jiān)測和圍巖表面位移監(jiān)測技術。其在煤柱應力監(jiān)測和煤柱內變形發(fā)育監(jiān)測方面應用較少,因為該技術不能全面掌握煤柱內應力變化、支護錨桿受力變化及煤柱內部完整性等情況。因此，急需探索一種可靠的礦壓監(jiān)測設計方法,能夠全面監(jiān)測煤柱內的應力變化及錨桿支護強度變化,實現對圍巖穩(wěn)定性的超前預判,為及時變更支護設計提供依據[2-4]。本文創(chuàng)新性地提出利用鉆孔窺視儀、錨桿無損檢測儀、鉆孔應力計等儀器監(jiān)測煤柱內煤巖完整性、頂幫錨桿受力及煤柱應力變化情況的多種監(jiān)測技術綜合應用的礦壓監(jiān)測設計方法。通過對監(jiān)測數據綜合分析,更全面地掌握采動影響下小煤柱的礦壓變化及煤柱變形規(guī)律,為工作面小煤柱尺寸設計提供決策依據[5-6]。

1 3-509小煤柱工作面概況

1.1 工作面位置及特征

經坊煤業(yè)3-509小煤柱工作面位于經坊煤業(yè)五采區(qū)中部,原為村莊壓覆資源,現行政規(guī)劃村莊搬遷后為可采資源。工作面東北側鄰近3-508工作面(目前正在回采),西側鄰近3-501工作面(已采),南側鄰近3-510工作面(規(guī)劃),東側與五采區(qū)軌道、回風巷相連通[7-9]。3-509工作面小煤柱巷道掘進施工中不僅受到煤柱變窄后的應力變化影響,同時還受到鄰近工作回采動壓影響,其巷道圍巖應力變化情況極為復雜,需進行嚴密的礦壓監(jiān)測,分析煤柱應力變化規(guī)律,為巷道支護提供可靠的現場數據,保障工作面安全回采[10]。3-509工作面位置及井上、下關系如表1所示。3-509工作面所掘煤層屬沁水煤田3#煤層,為二疊系下統(tǒng)山西組,煤層賦存穩(wěn)定、煤質變異小、屬貧瘦煤,煤層平均厚度6.38 m,煤層結構為0.3(0.1)4.74(0.15)1.09,傾角0°～3°,普氏硬度系數f=1.5。3#煤層底板等高線及3-507工作面順槽實際揭露顯示,本區(qū)域3#煤層總體向西北傾斜,煤層賦存穩(wěn)定,3-5092順槽工作面掘進時地質構造簡單。3-509工作面煤層頂底板情況如表2所示。3-509工作面切眼沿傾向布置,回風順槽和運輸順槽沿走向布置,工作面沿走向方向推進,如圖1所示。

圖1 3-509小煤柱工作面巷道布置圖Fig.1 Roadway layout of 3-509 working face with small coal pillars

煤層名稱3#煤水平名稱830采區(qū)名稱五采區(qū) 工作面名稱3-509地面標高/m+1 001～+952底板標高/m+770～+730 地面位置位于北和村北側、池里村西北側、六家村東側,地面有零星構筑物 回采對地面的影響回采后會造成地面開裂、塌陷,構筑物倒塌 走向長/m819傾向長/m170面積/m2139 230

表2 工作面煤層頂底板情況表Table 2 Roof and floor of the working face

1.2 工作面順槽支護設計

經坊煤業(yè)3-5091運輸順槽和3-5092回風順槽支護采用“錨桿+金屬網+鋼筋梁+錨索”聯(lián)合支護形式。3-509工作面兩條順槽高度為3 m,為了提高煤柱的承載力,幫部錨桿每排4根,錨桿間排距為850 mm×800 mm。幫部上方第一排錨桿桿體傾斜向上施工,與水平線夾角呈15°。幫部下方第四排錨桿施工時桿體傾斜向下,與水平線夾角呈15°。

5092順槽寬度為4.5 m,頂部錨桿每排6根,頂部錨桿間排距為800 mm×800 mm。頂板上方兩排錨桿中間位置安裝Φ18.9 mm×8 300 mm錨索,錨索間排距為2 000 mm×1 600 mm。錨索距巷幫的距離為1 250 mm。頂部和幫部錨桿預緊力均為350 N·m,錨固力160 kN。

留設10 m小煤柱后,巷道會出現塑性變形,可能影響幫部錨桿發(fā)揮錨固作用,使其出現脫錨等現象,因此仍然需要對煤柱側采取補強支護措施。在10 m煤柱內安裝Φ18.9 mm×6 500 mm幫部錨索,每排2根,間排距為1 000 mm×1 600 mm;鎖具以外150～250 mm之間為錨索外露端。兩根錨索分別距順槽底板1 400 mm和2 400 mm。支護設計如圖2所示。

圖2 3-5091運輸順槽和3-5092回風順槽支護設計圖Fig.2 Supporting design of 3-5091transportation gateway and 3-5092 return air gateway

2 礦壓監(jiān)測

2.1 礦壓監(jiān)測方案設計

經坊煤礦3-5091運輸順槽、3-5092回風順槽掘進過程中煤柱寬度從20 m縮短為10 m,需要進行礦壓觀測,保證安全生產。巷道監(jiān)測的主要參數包括:巷道圍巖表面位移、錨桿受力狀態(tài)、圍巖深部變形與位移以及煤柱受力情況等。通過巷道礦壓監(jiān)測,可比較全面地了解錨桿支護的工作狀態(tài),掌握小煤柱的礦壓變化及煤柱變形規(guī)律,進而驗證或修改支護初始設計,保證巷道處于安全狀態(tài)。在經坊煤業(yè)3-5091運輸順槽及3-5092回風順槽各設置5個監(jiān)測站,監(jiān)測掘進期間的巷道表面位移、頂板離層、錨桿(索)受力和煤柱應力變化,每個監(jiān)測站間隔50 m。煤柱調斜的交匯區(qū)域和508采空區(qū)水倉區(qū)域巷道所受到的擾動較大,需要進行重點觀測,如圖3所示。

圖3 經坊煤礦3-5091運輸順槽礦壓測站布置Fig.3 Mine pressure measuring station location of 3-5091 transportation gateway in Jingfang coal mine

2.2 鉆孔應力計測點布置

為了探究煤柱內不同深度的應力變化,在3-5081運輸順槽590 m位置處安裝3 m、4 m、10 m等3個不同深度的鉆孔應力計,在3-5082回風順槽590 m位置處安裝5 m 的鉆孔應力計;在3-5081運輸順490 m位置處安裝1 m、8 m、10 m等3個不同深度的鉆孔應力計;在3-5092回風順槽280 m位置處安裝2 m、3 m、5 m等3個不同深度的鉆孔應力計,鉆孔應力計及安裝如圖4所示。

圖4 3-5092順槽煤柱鉆孔應力監(jiān)測Fig.4 Stress monitoring of coal pillar drilling in 3-5092 gateway

2.3 錨桿無損檢測測點布置

由于迎采動工作面掘進巷道過程中,工作面與掘進迎頭相遇會出現頂板冒落或巷道幫部變形等現象,因此需要對這一時期的頂板和幫部進行監(jiān)測。選取3-5092順槽273～293 m和3-5082順槽 266～286 m2個區(qū)間,每個區(qū)間選取10個測點,監(jiān)測巷道幫部和頂部錨桿的受力情況。3-5082順槽273 m處存在1個5 m×5 m×2 m 的水倉需要進行重點監(jiān)測。

2.4 巷道表面位移監(jiān)測點布置

巷道表面位移采用“十”字布點法安設監(jiān)測斷面,如圖5所示。在頂底板中部垂直方向和兩幫水平方向鉆孔,安裝木樁、測釘等測量基點。1個測站布置2個監(jiān)測斷面,沿巷道軸向間隔 0.6～1.0 m。監(jiān)測時測取AO、AB和CO、CD值,也可以測量AC、AD、CB、BD值。在3-5082回風順槽和3-5092回風順槽280 m處布置2個測點,監(jiān)測巷道在迎采送掘過程中的表面位移變化情況。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測斷面Fig.5 Monitoring section of roadway surface displacement

3-5092順槽掘進至280 m。安裝應力計需要在煤柱側進行鉆孔，使用的鉆頭直徑為Φ42 mm。為了進行鉆孔窺視煤柱內部，在280 m位置處鉆取一個8 m的窺視孔，查看鉆孔內巖體裂隙情況，并且對離層變化和裂隙幾何參數進行測量。

3 礦壓監(jiān)測結果綜合分析

2021年7月進行了3-508工作面回采與3-5092順槽掘進迎頭相遇的現場礦壓觀測,統(tǒng)計了煤柱內不同區(qū)域的垂直應力變化情況,順槽頂板和幫部的錨桿工作載荷,巷道圍巖變形情況以及煤柱內裂隙節(jié)理發(fā)育情況。通過對數據的處理與分析,進一步探究煤柱的合理尺寸。

3.1 煤柱內應力變化結果分析

3-508工作面埋深230 m，容重取25 kN/m3，上覆巖層頂板施加給煤柱的垂直應力為5.75 MPa。3-5081運輸順槽煤柱側應力如圖6所示。其中順槽590 m處3 m、4 m、10 m鉆孔應力計設置較早，在工作面回采時已設置，監(jiān)測周期為260 d，順槽490 m處1 m、8 m、10 m煤柱鉆孔應力計在3-5092順槽掘進后新設置，監(jiān)測周期為65 d。

(a)5081運輸順槽590 m

(b)5081運輸順槽490 m圖6 3-5081運輸順槽煤柱內應力變化曲線Fig.6 Curves of internal stress of coal pillars in 3-5081 transportation gateway

從圖6中可以看出，3-5081順槽590 m處3 m煤柱的應力變化最為明顯，應力變化量高達16.75 MPa，4 m處應力變化量僅為1.64 MPa，10 m處應力變化量相比于4 m處有所增加，最大應力變化量為2.26 MPa。3-5081順槽在490 m處煤柱8 m位置的應力變化量為2.82 MPa，10 m煤柱的應力集中變化量為2.63 MPa。

綜上分析，3-5081運輸順槽煤柱側在3 m處存在明顯的應力集中，位于極限平衡區(qū)。隨著煤柱寬度的增加，應力集中程度出現大幅度降低。4 m煤柱處的應力變化量最小。8～10 m煤柱應力峰值相較于4 m位置反而出現上升，其原因一方面由于4 m處位于煤柱彈塑性變形區(qū)，發(fā)生塑性破壞，一部分彈性勢能得到釋放。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)20 m煤柱存在彈性核區(qū)，應力分布呈現馬鞍形。8～10 m煤柱位于彈性區(qū)，承擔煤柱頂板上覆巖層的壓力。

2020年8月—2021年3月下旬,3 m煤柱內應力變化量為5.77 MPa,如圖7所示。

(a)5081順槽590 m處煤柱側3 m

(b)5081順槽590 m處煤柱側4 m

(c)5081順槽590 m處煤柱側10 m圖7 3-5081運輸順槽590 m處煤柱每月應力變化曲線Fig.7 Monthly stress curves of coal pillars at 590 m along3-5081 transportation gateway

每月煤柱應力均呈現平穩(wěn)緩慢增加的現象,月平均應力變化量為0.37 MPa。從2021年4月5日開始應力開始增加,4月18日應力達到峰值16.75 MPa,2個月的應力變化量為10.98 MPa。

隨著工作面距離測點越來越近,應力經歷了先下降又上升的情況,表明煤柱處于彈塑性狀態(tài),仍具有一定的承載力。當工作面接近測點時,回采擾動重新使煤柱應力增大至4.58 MPa。

3.2 錨桿無損檢測結果分析

2021年7月15日,3-508工作面推進至321.6 m,3-5092回風順槽掘進長度為308 m。掘進迎頭與工作面相距13.6 m。為避免小煤柱兩側同時施工引發(fā)安全生產事故,決定停止3-5092順槽掘進,3-508工作面以2～2.7 m/d 的回采速度正常回采。截止到7月28日,工作面推進至294 m。7月礦壓觀測期間,3-5082和3-5092順槽頂板和幫部錨桿被重點監(jiān)測,采集的數據經過整理,繪制成錨桿工作載荷與空間位置關系曲線,如圖8所示。

(a)5082回風順槽286 m頂部

(b)5082回風順槽286 m幫部

(c)5092回風順槽293 m頂部

(d)5092回風順槽293 m幫部圖8 3-5082與3-5092順槽頂部和幫部錨桿工作載荷與距工作面位移變化曲線Fig.8 Curves of top bolt working load and displacement from working face of 3-5082 gateway and 3-5092 gateway

3-5092順槽幫部和頂部錨桿的工作載荷均普遍小于3-5082順槽的錨桿工作載荷。順槽內錨網索支護系統(tǒng)需要經歷掘進階段和回采階段的擾動,工作載荷在回采階段達到峰值。通過對兩條順槽的錨桿工作載荷的監(jiān)測,錨桿最大的載荷值為100 kN。目前使用的錨桿額定工作載荷可以達到160 kN,存在較大的富裕系數,因此目前的支護強度完全可以達到保護安全生產的需求。

3.3 巷道圍巖變形監(jiān)測結果分析

在工作面相遇過程中，7月15日，實測3-5082順槽測點寬度為471 cm，高度為315 cm；3-5092順槽測點寬度為448 cm，高度為247 cm。7月28日，實測3-5082順槽測點寬度為462 cm，高度為307 cm；3-5092順槽測點寬度為443 cm，高度為243 cm。工作面礦壓觀測期間的巷道圍巖變形量變化如圖9所示。

圖9 3-5082順槽與3-5092順槽圍巖變形變化曲線Fig.9 Deformation variation curve of surrounding rock of 3-5082 and 3-5092 along channel

3-508工作面尚未與掘進迎頭相遇前,兩條巷道的變形量處于平緩增加的狀態(tài)。工作面相遇過程

中,3-5082順槽的圍巖變形量大于3-5092順槽的變形量。此現象表明工作面回采影響對3-5082順槽的影響較大。3-5082、3-5092順槽兩幫變形量大于頂板變形量。由于煤柱尺寸由20 m改為10 m,幫部出現一定的塑性變形,可以使積聚在煤柱的彈性能得到釋放,有利于巷道的維護。

3.4 鉆孔窺視結果分析

3-5092回風順槽280 m 煤柱鉆孔窺視,鉆孔長度為8 m,孔徑為42 mm。結果顯示淺部的煤體較為破碎,深部煤體維持著較好的完整性。

鉆孔0～1 m位置處屬于淺部煤體,0～0.6 m的煤體受到掘進擾動影響,整體較為松散破碎。1～2 m的煤體中發(fā)育有一個大的空洞,2～5 m煤柱內伴隨著部分橫向與縱向裂隙。煤柱5～8 m內圍巖條件良好,無節(jié)理與裂隙,具備較好的承壓能力。

4 結論

通過采集回采工作面與掘進巷道相遇階段采動影響下的礦壓數據,論證了10 m小煤柱的安全性,檢驗了新型巷道支護方案的可行性。主要的結論與建議有以下幾點:

1)通過對3-5082和3-5092順槽的錨桿工作載荷進行監(jiān)測,工作面的超前采動影響范圍在30～35 m左右,回采時期的3-5082順槽錨桿工作載荷大于3-5092順槽掘進時期的工作載荷。幫部錨桿的工作載荷大于頂板錨桿的工作載荷。3-5082順槽回采時期錨桿的最大工作載荷達到97 kN,遠遠小于錨桿的額定工作阻值160 kN,因此巷道支護存在較大的富裕系數,可以適當降低支護強度。

2)工作面與掘進迎頭相遇的過程中,煤柱內應力和錨桿的工作載荷呈現上升的趨勢。由于3-5092順槽進行了補強支護,因此總體應力變化和工作載荷變化均在可控范圍內,礦壓觀測期間未出現巷道片幫和頂板冒落等現象。

3)通過錨桿工作載荷仍有較大富裕系數,5～10 m范圍內煤柱應力變化較小,巷道圍巖變形量小等3個方面反映了煤柱尺寸有進一步優(yōu)化的可能性。為了提高煤炭采出率,建議適當調整煤柱尺寸,可嘗試將煤柱縮短至6～8 m。

4)3-5092順槽在回采時期的圍巖變形量大于掘進時期的變形量,重新優(yōu)化煤柱尺寸后仍需要加強礦壓觀測,做好補強支護工作。