大采高煤層采動狀態(tài)下小煤柱留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

曹 鵬,劉如鵬

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

我國煤炭資源浪費嚴重,保護煤柱損失占比近33%,而縮減保護煤柱寬度是提高煤炭資源回采率的主要途徑之一[1-2]。受巷道開挖與工作面回采擾動的影響,煤柱會在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生塑性破壞從而降低承載能力,因此,應(yīng)控制煤柱的留設(shè)寬度大于塑性破壞區(qū)域[3-4]。

為探究煤柱的塑性發(fā)育范圍,侯朝炯等[5]根據(jù)極限平衡理論推導(dǎo)出了最小護巷煤柱寬度的計算公式。常瀚文等[6]指出煤柱的塑性區(qū)存在雙向發(fā)育的特征,進一步提出了煤柱的雙側(cè)塑性計算法。在實際工程中,通常采用十字布線、激光測距、錨索應(yīng)力計、錨桿應(yīng)力計、煤體應(yīng)力計等對巷道圍巖的位移演化與應(yīng)力狀態(tài)等進行整體觀測,用以驗證煤柱留設(shè)寬度的合理性[7-9]。

回采巷道圍巖的監(jiān)測數(shù)據(jù)與采動狀態(tài)有直接聯(lián)系,在以往的監(jiān)測分析中,往往忽略了工作面的動態(tài)推進長度對巷道位移場與應(yīng)力場演化的影響。為此,以陜西黃陵二號煤礦303工作面為工程背景,對區(qū)段保護煤柱寬度由35 m優(yōu)化為17.5 m的技術(shù)工程進行全方位多尺度的監(jiān)測分析,探究小煤柱優(yōu)化后的回采巷道在工作面推進過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,以驗證小煤柱留設(shè)寬度的合理性,同時為后續(xù)小煤柱留設(shè)和巷道支護參數(shù)的進一步優(yōu)化提供借鑒。

1 工作面布置及地質(zhì)概況

黃陵二號煤礦303大采高綜采工作面是礦井規(guī)劃的第一個縮減保護煤柱的回采工作面。303工作面位于井田三盤區(qū)中部,西部、北部為未采區(qū),南部緊鄰301工作面,東至三盤區(qū)輔運大巷。工作面開采深度470～705 m,可采長度3 894 m,傾向長度300.5 m,留大巷保護煤柱141 m(回風巷)/330 m(膠帶巷)。303工作面膠帶巷與輔運巷留設(shè)17.5 m煤柱,303工作面回風巷與301采空區(qū)留設(shè)35 m煤柱,工作面及測站布置如圖1所示。303工作面煤層厚度3.2～5.8 m,傾角為0°～4°。老頂為深灰色-灰黑色粉砂巖,夾細粒砂巖條帶,較堅硬,抗壓、抗剪強度較高,厚1.0～17.5 m。直接頂板為粉砂巖、細粒砂巖,厚度0～27 m。

圖1 303工作面布置及測站布置示意

2 303輔運巷留巷監(jiān)測方案

303輔運巷留巷自305切眼導(dǎo)硐向大巷方向布置4個測站,用于觀測頂?shù)装逡七M量監(jiān)測、兩幫移近量監(jiān)測、錨索外露長度變化監(jiān)測、錨索載荷變化監(jiān)測。在303輔運巷留巷5聯(lián)巷口煤柱側(cè)幫部布置7個測點,用于煤柱的支承壓力變化監(jiān)測。

2.1 圍巖表面位移監(jiān)測

303輔運巷留巷自305切眼導(dǎo)硐向大巷方向均勻布置4個測站,間距為50 m,分別為1號、2號、3號、4號測站,每個測站采用“十字法”布置巷道表面位移觀測點[10-12]。即在頂板和兩幫部中部位置各設(shè)置一個200 mm深的鉆孔,嵌入木楔,用激光測距儀測量頂?shù)装搴蛢蓭途嚯x,求出頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俊；夭善陂g每天觀測一次。

2.2 錨索外露長度與應(yīng)力監(jiān)測

在上述每組測站離層儀位置附近施工錨索,頂板滯后400 mm,施工1根φ21.8 mm×10 300 mm錨索,幫部滯后800 mm的位置,兩幫各施工1根φ21.8 mm×4 000 mm錨索,不帶鎖具,回采期間每天觀測一次。在上述每組測站的頂板和兩幫中部各施工1根錨索,在鎖具和托盤之間安裝錨索載荷傳感器,其中頂板錨索規(guī)格φ21.8 mm×11 200 mm,兩幫部錨索規(guī)格φ21.8 mm×4 400 mm,回采期間實時監(jiān)測,上傳至礦壓監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 采動觀測方案

在303輔運巷留巷5聯(lián)巷口煤柱側(cè)幫部布置7個煤柱應(yīng)力監(jiān)測點,用于監(jiān)測回采中煤柱不同深度的支承壓力,掌握回采對煤柱采動的影響程度[13-14]。鉆孔深度依次為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m,鉆孔間距為1.5 m,每孔內(nèi)安裝1臺KYS-60型煤體應(yīng)力計。回采期間實時監(jiān)測,上傳至礦壓監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集。

3 303輔運巷小煤柱留巷監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果分析

圖2為303輔運巷頂?shù)装謇塾嬕平孔兓€和兩幫累計移近量變化曲線。工作面超前50 m至推采過測站350 m頂?shù)装逡平靠焖偕仙?呈對數(shù)函數(shù)的形式逐漸增加,增加速率隨工作面的推進長度降低,當工作面推采過測站670 m后趨于穩(wěn)定,在后續(xù)的推進過程中,巷道圍巖的位移無明顯變化。頂?shù)装遄畲笠平繛? 200 mm,平均移近量為1 700 mm。工作面超前50 m至推采過測站的190 m范圍內(nèi)兩幫移近量迅速增加,幫部鼓起約為0.5 m。而后,幫部變形速率開始明顯降低,受周期來壓的影響,巷道幫部的位移呈現(xiàn)臺階式緩慢增加,在工作面推采過測站670 m后,除4號測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)仍有少量變化,其余測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本達到穩(wěn)定狀態(tài),兩幫最大移近量為770 mm。

圖2 頂?shù)装謇塾嬕平孔兓€

3.2 錨索外露長度監(jiān)測結(jié)果分析

利用錨索外露長度變化量分析巷道圍巖深部位移,303輔運巷頂板錨索外露、煤柱側(cè)錨索外露和采面?zhèn)儒^索外露長度累計變化曲線如圖3所示。

圖3 錨索外露長度累計變化曲線

頂板錨索孔深10 m,兩幫部孔深3.7 m。工作面在推進到測站的前120 m范圍內(nèi),錨索外露長度均無明顯變化,當推進過超前工作面120 m后頂板錨索的外露長度發(fā)生小幅度縮短,約為40 mm,表明工作面的采動影響范圍是超前工作面120 m為起始點。超前工作面120 m至工作面推采過測站110 m范圍內(nèi)煤柱側(cè)錨索外露迅速縮短,表明此階段內(nèi)煤柱內(nèi)部發(fā)生了明顯的塑性破壞,當工作面推采過測站410 m后錨索的外露長度發(fā)生第二次縮短,煤柱側(cè)錨索外露最大縮短量為190 mm。工作面推采過測站200 m左右時,采面?zhèn)儒^索外露長度迅速縮短,推采過測站230 m至530 m范圍內(nèi)采面?zhèn)儒^索外露縮短速率增大,隨后趨于穩(wěn)定,采面?zhèn)儒^索外露最大縮短量為210 mm。

3.3 錨索應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

利用錨索載荷變化量來分析工作面推進期間小煤柱留巷應(yīng)力變化,303輔運巷頂板錨索、煤柱側(cè)錨索和采面?zhèn)儒^索載荷變化曲線,如圖4所示。

圖4 錨索載荷累計變化曲線

總體上,超前工作面120 m至工作面推進后270 m的范圍內(nèi),錨索所受載荷的變化幅度最為明顯,表明此時測點的錨索承受了劇烈的支撐壓力擾動影響,波動范圍的最小值為-25 kN,最大值可達115 kN。超前工作面50 m至10 m范圍內(nèi)頂板錨索累計載荷變化量迅速達到最大,為85 kN,隨后逐漸降低,當推采過測站190 m后,載荷基本穩(wěn)定。超前工作面50 m至推采過測站50 m范圍內(nèi)煤柱側(cè)錨索累計載荷變化量迅速達到最大,為112 kN,隨后逐漸降低,當推采過測站350 m后,載荷基本穩(wěn)定。超前工作面50 m至推采過測站900 m范圍內(nèi)采面?zhèn)儒^索累計載荷變化量逐步增加,最大為108 kN。工作面推進過測站270 m后,除采面?zhèn)鹊腻^索載荷有顯著增加的趨勢,頂板與煤柱側(cè)的錨索載荷基本趨于穩(wěn)定,表明此處的圍巖應(yīng)力場已達到重新平衡狀態(tài),工作面繼續(xù)推進對測點處應(yīng)力場的影響程度逐漸消除。

綜上所述,303輔運巷留巷頂板和煤柱側(cè)幫部錨索累計載荷變化量變化趨勢基本一致,但頂板錨索累計載荷變化量劇增更加迅速,達到穩(wěn)定區(qū)間也更短;而采面?zhèn)葞筒垮^索累計載荷變化量隨著推采而逐漸增大;同時,推采過測站430 m后,采面?zhèn)葞筒垮^索累計載荷變化量大于頂板和煤柱側(cè)。

3.4 煤柱支承壓力監(jiān)測結(jié)果分析

圖5為303輔運巷煤柱側(cè)幫部支承壓力變化曲線。由圖可知,3 m測點應(yīng)力隨工作面推進緩慢變化近似于平穩(wěn)狀態(tài),數(shù)值約為7.5 MPa,表明此處煤體的承載能力較強,未進入明顯的塑性破壞階段。5 m、9 m和 13 m測點應(yīng)力變化規(guī)律基本一致,超前工作面220 m時支承壓力逐漸增加,在超前220 m和140 m處分別達到最大值,推采過測站20～100 m后迅速降低,煤體進入塑性破壞狀態(tài),煤柱內(nèi)部應(yīng)力快速釋放,承載能力迅速降低,由此可知超前工作面220 m以內(nèi)為采動影響區(qū)域。11 m和15 m測點支承壓力的初始值較低,變化規(guī)律均為逐漸減小的趨勢,可推斷煤柱11 m和15 m深處的煤體在進行應(yīng)力監(jiān)測前就已經(jīng)發(fā)生了塑性破壞,由于煤體較為破裂,因此承載能力相較于其他測點的檢測值較低。11 m測點在超前220 m處出現(xiàn)驟降,說明受采動影響后出現(xiàn)二次破裂,壓力加速釋放[13-14]。13 m測點的支承壓力數(shù)值最高,監(jiān)測的應(yīng)力數(shù)值超過12 MPa,表明巷道圍巖應(yīng)力最大集中在煤體13 m深處位置。

綜上,303小煤柱支承壓力最大為13 m處,超前工作面220 m以內(nèi)為采動影響區(qū)。11 m和15 m處在觀測前已經(jīng)破裂,推采過測點20～100 m后,9 m和13 m處也出現(xiàn)破裂,而3 m處隨著工作面回采推進一直未破裂。

4 結(jié)論

(1)303回采工作面已進入小煤柱留設(shè)區(qū)域1 300 m,煤柱及留巷頂幫部完整性較好,與35 m留設(shè)煤柱相比較,小煤柱未出現(xiàn)大的變形和強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,303輔運巷留巷底鼓量達到2 200 mm,趨于穩(wěn)定,頂板深部無離層現(xiàn)象;兩幫部移近量最大為770 mm,變形趨于穩(wěn)定。

(2)回采期間,采動的影響范圍為超前工作面120 m。303輔運巷留巷頂板錨索累計載荷變化量最大為85 kN,煤柱側(cè)錨索累計載荷變化量最大為112 kN,采面?zhèn)儒^索累計載荷變化量最大為108 kN。頂板錨索累計載荷變化量增加速率最大、煤柱側(cè)其次,兩者均已經(jīng)穩(wěn)定,但采面?zhèn)葞筒砍掷m(xù)緩慢增大,當推采過測站430 m后,反超過頂板和煤柱側(cè)。

(3)回采期間,303輔運巷留巷小煤柱3 m深處煤體未破裂,支承壓力隨工作面推進緩慢增大;5 m、9 m和13 m深處支承壓力在超前220 m和140 m處分別達到最大值,11 m和15 m處觀測前就可能存在煤體破裂,支承壓力逐漸減小,前者在超前220 m處受超前采動影響后出現(xiàn)二次破裂,支承壓力發(fā)生驟降。13 m深處的監(jiān)測點是巷道圍巖應(yīng)力最大集中區(qū)域,承受最高的支撐壓力。