華燁煤業沿空留巷礦壓監測系統的應用與研究

趙文寶，賈永強，王艷龍

（1.開灤集團礦業工程有限責任公司礦山運營分公司，河北 唐山 063000；2.山西臨縣華燁煤業有限公司，山西 呂梁 033000；3.山西銀鋒科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引 言

文獻[1-2]闡述了中國礦業科學技術三次變革及代表性理論，著重分析以“切頂短壁梁”為理論基礎的長壁開采110 工法概念及其關鍵技術。文獻[3]分析了店坪煤礦切頂卸壓留巷礦壓規律，通過巷道表面位移觀測，巷道頂板離層監測，恒阻錨索受力和變形量監測，工作面支架壓力監測，留巷臨時支護支架壓力和縮量監測，采空區擋矸側向壓力監測6 個方面的礦壓監測結果，得出了在滯后工作面160 m 以后留巷基本趨于穩定的結論，為沿空留巷礦壓監測結果的分析提供了方法。文獻[4]通過數值模擬、工程實踐，對最佳的切頂高度和切頂角度進行驗證，理論分析了在不同切頂角度和切頂深度條件下礦壓規律的顯現，為類似條件礦井分析切頂卸壓自動成巷礦壓顯現規律及圍巖控制提供了借鑒。文獻[5]介紹了一種無煤柱自成巷實時在線監測系統，實現了實時、精確及科學的監測系統進行現場數據的收集、監測及反饋，為后續開展無煤柱自成巷開采技術提供了科學數據支撐，具有借鑒意義。無煤柱自成巷110 工法是一種技術先進、成熟可靠沿空留巷技術。

1 概 況

華燁煤業4 號煤層平均厚度為2.2 m，4105 工作面4 號煤上覆巖層依次為0.3 m 的泥巖、9.3 m的泥巖及砂質泥巖、14 m 的泥巖及粉砂巖，底部為0.7m 的泥巖和5 號煤。煤層傾角較小，傾角2°～8°，屬近水平開采煤層，結構較簡單。4105工作面走向長度為1 746 m，傾向長度為199 m。

4105 回風順槽采用無煤柱自成巷110 工法沿空留巷技術，巷道斷面為矩形，凈寬4 800 mm，凈高2 700 mm，采用錨網索支護。留巷補強支護采用恒阻大變形錨索+槽鋼設計，如圖1 所示。

圖1 補強支護參數Fig.1 Reinforcement support parameters

2 礦壓數據分析

4105 回風順槽留巷段每50 m 布置1 個測站，每個測站由1 套圍巖移動傳感器、1 套恒阻錨索應力傳感器、1 個巷道變形量觀測點、1 套單體支柱受力及縮量監測系統組成，頂底板移近量監測設備根據實際情況進行布置。4105 工作面內每隔7 架安設1 個頂板在線監測裝置，隨時進行支護質量和頂板監測，工作面兩端頭附近支架布置有測點。

2.1 工作面支架壓力監測分析

根據工作面110 工法工程分區情況，每隔5 個液壓支架布置1 個壓力監測分站，共27 個液壓支架進行礦壓監測。

根據4105 工作面切頂卸壓切頂留巷工程分區情況，選擇留巷側支架、中部支架、未切頂側支架3 區域液壓支架進行礦壓監測，如圖2 所示。

圖2 工作面液壓支架工作阻力監測區域劃分Fig.2 Monitoring area division of hydraulic support working resistance

礦壓監測過程中，頂板離層值變化曲線如圖3所示。

圖3 頂板離層值變化曲線Fig.3 The variation curve of roof separation value

由上述支架壓力變化曲線分析得到工作面支架工作阻力情況，見表1。

表1 工作面支架工作阻力Table 1 Working resistance of face support

留巷側切頂卸壓影響區支架較工作面中部支架最大工作阻力減小1.5 MPa，減小約4%；留巷側切頂卸壓影響區支架較未切頂側影響區支架最大工作阻力減小2.8 MPa，減小約7%。

支架工作阻力減小，表明頂板在定向預裂切縫的影響下，直接頂破斷垮落后，形成碎漲的矸石通常可以將采空區充滿，基本頂發生回轉的空間較小，因此回轉變形也較小，進而對沿空留巷直接頂產生的壓力也較小。

由圖表可知，切頂留巷側周期來壓步距12.4 m，中部周期來壓步距9.8 m，未切頂側周期來壓步距12 m。

2.2 錨索受力變化規律分析

根據工作面推進情況現場施工進度，收集分析M1～M7 共計7 個錨索應力計，其位置分別距4105工作面開切眼1 750、1 700、1 650、1 600、1 550、1 500、1 450 m。其中M1～M7 錨索應力計的錨索應力值變化曲線如圖4 所示。

圖4 錨索應力值變化曲線Fig.4 Stress value change curve of anchor cable

通過曲線分析可以得到錨索應力變化的具體情況，其中錨索應力變化曲線關鍵位置及最大拉應力情況見表2。

表2 錨索應力變化曲線關鍵位置及最大拉應力Table 2 Key position and maximum tensile stress of anchor cable stress change curve

由上述圖表分析可知：

（1） 工作面的推進產生的超前集中應力對錨索受力產生影響，超前影響范圍約為20 m。

（2） 滯后工作面約10 m，隨著基本頂周期性斷裂，錨索應力出現減小情況；結合頂板離層儀監測情況，錨索應力整體隨頂板圍巖變形量增加呈增加趨勢；滯后工作面大于100 m 后錨索應力增長變緩，最終在滯后工作面200 m 時趨于穩定。

2.3 頂板離層變化規律分析

根據工作面推進情況現場施工進度，共收集分析7 個頂板離層監測點，其位置分別距4105 工作面開切眼1 750、1 700、1 650、1 600、1 550、1 500、1 450 m。根據頂板離層監測情況，其中L2～L7 共7 個區段頂板離層監測點頂板離層值變 化曲線如圖5 所示。

圖5 頂板離層值變化曲線Fig.5 The variation curve of roof separation value

通過曲線分析可以得到頂板離層變化的具體情況，其中頂板離層變化曲線變化關鍵位置及頂板離層最大值情況見表3。

表3 頂板離層變化曲線關鍵位置及頂板離層最大值Table 3 Key position of roof separation change curve and maximum value of roof separation

（1） 工作面的推進對巷道頂板離層基本上未產生明顯的影響，局部位置在滯后工作面9～20 m出現離層現象，頂板離層量最大為154.3 mm。

（2） 工作面回采過后，局部出現頂板離層的位置，離層值在滯后工作面40 m 后趨于穩定。

3 應用成果

從目前留巷的效果及礦壓監測數據來看，工作面周期來壓步距為12 m，采用切頂留巷技術后來壓強度有了明顯減弱，留巷段頂板基本無變形，在順槽1 400 m 有范圍40 m 左右的一段留巷受斷層影響，底鼓600 mm，頂板有明顯的離層150 mm，留巷整體達到了預期效果，在工作面回采階段持續跟進礦壓監測系統數據，并根據頂板巖性條件變化，及時調整方案，進一步分析礦壓監測系統數據，優化補強支護及滯后臨時支護回撤方案。

4 結 論

（1） 通過進行礦壓監測系統布置及監測數據的分析，確認了當前無煤柱自成巷110 工法留巷設計方案的支護強度是合理的，恒阻大變形錨索+槽鋼的補強支護及滯后的單體液壓支柱+工字鋼底梁的支護設計是完全可行的。

（2） 形成了華燁煤業無煤柱自成巷礦壓監測系統設計方案及監測體系，為華燁煤業進一步推廣應用無煤柱自成巷技術提供了可靠的技術支撐和理論依據。

（3） 華燁煤業4105 回風順槽頂板預裂切縫技術指標達到預期目標，留巷效果良好，下一步將持續跟進礦壓監測，根據礦壓監測數據進一步分析成巷穩定區長度，根據制定的滯后臨時支護回撤方案，對留巷穩定區單體液壓支柱進行回撤循環使用，并做好頂板巖性變化及礦壓監測數據的分析。