淺埋上下煤層高強度開采工作面礦壓顯現規律

馬清水

(神木縣隆德礦業有限責任公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

近年來,隨著中國西部礦區開發強度加大,多煤層開采礦井數量逐步增多,很多礦井為了提高經濟效益,也開始采用多煤層同采。淺埋深多層開采與單一煤層開采在礦壓顯現規律上具有顯著差異性[1-6],多煤層同步開采經驗表明,開采下煤層時,受上覆采空區遺留煤柱影響,下煤層頂板應力集中區域礦壓顯現強烈,頂板裂隙發育,工作面冒頂、漏頂現象多發,甚至出現在煤柱影響區域內大面積切頂壓架等頂板災害[7-11]。近年來,淺埋煤層采空區及遺留煤柱下開采時切頂壓架事故案例,如凱達煤礦綜采工作面推至與上煤層工作面切眼重疊位置附近,頂板巖層沿煤壁直接切落造成的切頂壓架事故[12];再如,石圪臺煤礦31201綜采工作面推入上覆集中煤柱影響區時工作面強烈來壓,造成3次嚴重切頂壓架事故[13-14],均導致重大經濟損失,同時嚴重威脅井下作業人員安全。

當前隆德煤礦面臨類似的開采情況。隆德煤礦主采1-1煤和2-2煤,其中,1-1煤工作面與2-2煤工作面重疊,層間距平均54.16 m。1-1煤平均可采厚度1.73 m,埋藏深度93～153 m;2-2煤平均可采厚度4.89 m,埋藏深度41～211 m。1-1煤綜采工作面寬度288.9 m,采用兩柱掩護式支架控頂,支架型號為ZY10000/13/26D;2-2煤大采高工作面寬度300 m,采用兩柱掩護式支架控頂,支架型號為ZY12000/25/50D。兩煤層工作面位置關系如圖1所示。在1-1煤和2-2煤近距離同步開采過程中,由于近距離煤層重復采動應力疊加影響,可能造成下煤層大采高工作面圍巖控制難度加大,甚至發生工作面煤壁片幫漏頂、巷道大變形、切頂壓架等問題。為切實保障隆德煤礦工作面安全高效生產,需要系統掌握淺埋近距離煤層開采條件下大采高工作面的礦壓顯現規律。因此,有必要針對隆德煤礦近距離煤層高強度開采工作面礦壓顯現規律進行實測研究。

圖1 兩煤層工作面位置關系Fig.1 Location relation of two coal seam working faces

1 近距離煤層工作面來壓規律

1.1 1-1煤102工作面來壓規律

102工作面共有液壓支架179臺,每隔10架安裝一部礦用本安型頂板壓力無線監測分機,共18部,實時監測工作面支架壓力變化情況。將工作面分為上、中、下3個分區,分析102工作面2019年7月1日至7月31日的支架工作阻力,工作面周期來壓特征統計見表1。工作面周期來壓步距為10～24.4 m,平均15.7 m;其中,工作面上部來壓強度為31.1～41.8 MPa,平均36.6 MPa;中部來壓強度為31.7～41.5 MPa,平均40.0 MPa;下部來壓強度為34.6～41.8 MPa,平均39.6 MPa。

表1 102工作面周期來壓特征統計Table 1 Statistics of periodic weighting characteristics of 102 working face

1.2 2-2煤209工作面來壓規律

209工作面共有液壓支架176臺,同樣每隔10架安裝一部礦用本安型頂板壓力無線監測分機,共18部。選取209工作面正常推采階段(11月9日至12月8日期間)的礦壓數據進行礦壓規律分析,工作面壓力曲線如圖2所示,工作面周期來壓特征見表2。209工作面周期來壓30次,周期來壓步距為7.2～18.8 m,平均12.4 m;統計周期來壓強度,其值為9877～12 240 kN,平均11 230 kN。

表2 209工作面周期來壓特征統計Table 2 Statistics of periodic weighting characteristics of 209 working face

圖2 典型工作面礦壓曲線Fig.2 Typical working face’s pressure curve

2 巷道應力變化規律

2.1 鉆孔應力計實測2-2煤層巷道應力

2.1.1 監測方案

通過安裝鉆孔應力計,測量1-1煤開采對下方2-2工作面巷道應力的變化,共布置3組測站,如圖3所示。測站1測量1-1煤層工作面回采前后對2-2煤層工作面的采動影響規律,測站2測量101工作面采空區及區段煤柱下方受二次采動影響應力變化特征,測站3測量209工作面受102工作面采動及209工作面二次采動影響的應力變化特征。具體方案如下:

圖3 各測站鉆孔應力計平面布置Fig.3 Plane layout of stress meter at each measuring point’s borehole

測站1超前于102工作面600 m,從209工作面輔運巷向211工作面煤體內打6組鉆孔(測站1),孔深分別為9 m、14 m(各3組),相鄰測點間距5 m;測站2超前于209工作面600 m,從209工作面回風巷向工作面實體煤側打6組鉆孔(測站2),孔深分別為9 m、14 m(各3組),相鄰測點間距5 m;測站3與測站2位置布置相近,從209工作面膠運巷向工作面正幫打4組鉆孔(測站3),孔深分別為9 m、14 m(各2組測點),相鄰測點間距5 m。

2.1.2 監測結果分析

通過數據觀測分析,各鉆孔應力計變化曲線如圖4所示,采動應力變化特征見表3。通過測站2和測站3的應力數據分析,上層開采對2-2煤工作面應力影響范圍為27.6～50.7 m,平均影響范圍40.8 m,應力峰值為5.3 MPa。根據煤體承載性能及應力分布規律[15],超前應力可劃分為3區:①應力衰減區,超前工作面0～6 m;②應力升高區,工作面煤壁前方6～40.8 m;③初始應力區,超前工作面40.8 m以外范圍。

表3 各測站采動應力變化特征Table 3 Mining stress change characteristics of each measuring point

圖4 各測站鉆孔應力曲線Fig.4 Stress curve of each measuring point’s borehole

通過對測站1典型鉆孔應力數據進行分析,鉆孔應力曲線在上覆工作面推采過程中基本保持穩定,即上覆1-1煤工作面開采對下方2-2煤工作面無顯著影響。

2.2 CT探測2-2煤層巷道應力

2.2.1 探測方案

采用PASAT-M型微震探測系統作為CT探測設備,開展巷道應力實測研究。共探測2個范圍,測區1探測范圍為2-2煤209綜采工作面煤壁前方200 m范圍實體煤段,測區2探測范圍為2-2煤211綜采工作面,且位于102工作面下方前后各100 m范圍,如圖5所示。

圖5 CT探測測區布置方案Fig.5 Layout scheme of CT exploration area

2.2.2 探測結果分析

CT探測數據分析結果如圖6所示。其中,第1測區在209工作面前方最大影響范圍為59.5 m,59.5 m以外無應力集中;第2測區在上覆102工作面后方47.5 m以外,211工作面應力開始升高,表明此位置102工作面采空區高位頂板垮落。

圖6 PASAT測試掃描分析Fig.6 Analysis of PASAT test scanning

3 頂板離層發育狀況實測

3.1 頂板發育鉆孔窺視

3.1.1 測試方案

觀測采用的儀器為鉆孔電視成像儀,為保證試驗結果具有代表性,在2-1煤層209工作面巷選擇2個測段施工頂板鉆孔,共施工4個探測鉆孔,鉆孔深度25 m,孔徑30 mm。分別在209工作面機頭和機尾超前段垂直頂板打鉆探測(測點編號分別為C3、C4、C1、C2),如圖7所示。

圖7 探測點位置Fig.7 Location of exploration point

3.1.2 鉆孔窺視結果分析

實際觀測鉆孔4組,深度10.2～19 m不等。鉆孔窺視結果如圖8所示。

圖8 鉆孔窺視結果Fig.8 Borehole peeping

2號孔(超前工作面10.8 m),孔深19 m,處于膠運巷道超前支護范圍,在0.5～0.7 m、1.2～1.3 m、2.0～2.1 m處以及10～15 m范圍有明顯裂隙,其它層位頂板完整性較好。

4號孔(超前工作面10 m),孔深13.2 m,處于回風巷道超前支護范圍,在10.3～10.4 m、12.0～12.1 m、13.1～13.2 m處存在裂隙,其它層位頂板完整性良好。

3號孔(超前工作面1 m)14.3 m,位于回風巷道端頭附近,在孔深14.3 m范圍內頂板完整性均較好。

1號孔(超前工作面3.2 m)孔深10.2 m,位于膠運巷道端頭附近,由于受泥巖影響窺視不清晰,僅下部0～0.2 m范圍可見裂隙。

綜合各鉆孔窺視結果,2-2煤層工作面開采活動僅影響頂板2.0 m以內范圍,上覆10～15 m范圍巖層存在原生裂隙,其它層位巖層頂板完整性均較好,表明1-1煤層對2-2煤層回采影響不顯著。

3.2 頂板離層現場測試

通過在209回風巷和輔運巷頂板安裝離層儀,開展巷道頂板變形測試。

3.2.1 209回風巷道頂板離層

選擇209工作面回風巷道距離切眼770 m的測點A,監測數據分析結果如圖9所示。工作面推進至A測點之前頂板離層量最大僅為27.3 mm,變化很小;當推進至A測點時頂板離層量突增,達到303.6 mm,此時測點即將進入采空區。其他各測點頂板離層量一般不大于50 mm,頂板離層突變時最大424.5 mm。

圖9 工作面回風巷道頂板離層監測曲線Fig.9 Roof separation layer monitoring curve of working face’s air return roadway

3.2.2 209輔運巷道頂板離層

選擇209工作面輔運巷道典型測點B、C,分別距離切眼1 182 m、1 303 m,監測數據分析結果如圖10所示。當工作面推進至測點位置前后,輔運巷道頂板離層量變化小,均不超過15 mm;當推進至測點后方331.3～661 mm時,個別測點處頂板離層量開始突增,最大達到359.9～361.2 mm,但多數測點離層量變化較小,最大僅38.8 mm。

圖10 工作面輔運巷道頂板離層監測曲線Fig.10 Roof separation layer monitoring curve of working face’s auxiliary transportation roadway

從209回風巷道及輔運巷道頂板離層量監測曲線可知,209工作面在1-1煤層采空區下開采對巷道超前段及采空區后方頂板離層的影響較小,僅個別地段在采空區后方發生了較大離層,推測可能受局部小構造影響。頂板離層監測結果及頂板鉆孔窺視結果與現場頂板變形情況基本一致,表明了上覆1-1煤層開采對下方2-2煤層影響不顯著。

4 結論

(1)通過工作面安裝的礦壓監測系統,確定1-1煤層工作面來壓步距10～24.4 m,平均15.7 m,來壓強度31.7～41.5 MPa,平均40.0 MPa;2-2煤層工作面來壓步距7.2～18.8 m,平均12.4 m,來壓強度9 877～12 240 kN,平均11 230 kN,各煤層工作面支架均能滿足控頂要求。

(2)采用2種現場測試方法,得到1-1煤與2-2煤協同開采巷道應力變化特征,即鉆孔應力計實測2-2煤工作面超前應力范圍平均為40.8 m,應力峰值位于工作面前方6 m,應力集中系數1.23,且2-2煤層回采基本不受間隔煤柱寬度20 m的相鄰工作面、間隔頂板巖層厚度54.16 m的1-1煤工作面開采影響;CT探測2-2煤工作面超前應力影響范圍不大于59.5 m,1-1煤推采47.5 m后采空區高位頂板垮落。

(3)頂板離層監測與頂板鉆孔窺視結果顯示,上覆1-1煤層開采對下方2-2煤層影響不顯著。