淺埋上下煤層高強度開采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

馬清水

(神木縣隆德礦業(yè)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(qū)開發(fā)強度加大,多煤層開采礦井數(shù)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(xiàn)規(guī)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(qū)遺留煤柱影響,下煤層頂板應力集中區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強烈,頂板裂隙發(fā)育,工作面冒頂、漏頂現(xiàn)象多發(fā),甚至出現(xiàn)在煤柱影響區(qū)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(qū)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(qū)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(yè)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)規(guī)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(xiàn)規(guī)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(guī)律

1.1 1-1煤102工作面來壓規(guī)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(jiān)測分機,共18部,實時監(jiān)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(qū),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(tǒng)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(tǒng)計Table 1 Statistics of periodic weighting characteristics of 102 working face

1.2 2-2煤209工作面來壓規(guī)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(jiān)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(shù)據(jù)進行礦壓規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(guī)律

2.1 鉆孔應力計實測2-2煤層巷道應力

2.1.1 監(jiān)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(guī)律,測站2測量101工作面采空區(qū)及區(qū)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(jiān)測結果分析

通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)煤體承載性能及應力分布規(guī)律[15],超前應力可劃分為3區(qū):①應力衰減區(qū),超前工作面0～6 m;②應力升高區(qū),工作面煤壁前方6～40.8 m;③初始應力區(qū),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(shù)據(jù)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(wěn)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(tǒng)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(qū)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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)分析結果如圖6所示。其中,第1測區(qū)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(qū)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(qū)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(fā)育狀況實測

3.1 頂板發(fā)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(xiàn)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(qū)。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(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)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(jiān)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(jiān)測曲線可知,209工作面在1-1煤層采空區(qū)下開采對巷道超前段及采空區(qū)后方頂板離層的影響較小,僅個別地段在采空區(qū)后方發(fā)生了較大離層,推測可能受局部小構造影響。頂板離層監(jiān)測結果及頂板鉆孔窺視結果與現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng),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(xiàn)場測試方法,得到1-1煤與2-2煤協(xié)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(shù)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(qū)高位頂板垮落。

(3)頂板離層監(jiān)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。