塔山礦切頂卸壓無煤柱成巷中圍巖的變形研究

黨付雄

（同煤集團大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000）

厚煤層在開采過程中由于煤層存儲厚度大、開采時對上覆巖層擾動量大，導(dǎo)致井下圍巖受力變形大，極易出現(xiàn)頂板下沉、垮落、煤壁片幫等異常[1]。

塔山煤礦8222綜采工作面開采厚煤層。綜采面傾向長度為291m，走向長度約為2433m，探明可采煤炭量約為462.1萬t，煤層的平均厚度為4.32m，煤層賦存深度為165～267m。煤層基本頂以砂巖為主，平均厚度約為11.7m，直接頂為粉砂巖，平均厚度約為2.32m。該工作面的回風(fēng)順槽采用切頂卸壓自成巷工藝。

1 綜采面巷道頂板的變形監(jiān)測

為了對綜采面巷道的頂板變形狀態(tài)進行監(jiān)測，建立了頂板變形監(jiān)測系統(tǒng)，對綜采作業(yè)過程中的頂板變形情況進行實時監(jiān)測。根據(jù)塔山煤礦8222綜采工作面的綜采推進情況，選擇在距切眼89m處和距離切眼119m處分別設(shè)置一個頂板移近量監(jiān)測點。為了確保井下監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性和監(jiān)測安全性，將巷道頂板移近量監(jiān)測儀設(shè)置到滯后工作面19m處。該位置處在支架支護范圍內(nèi)且距離工作面較近，頂板在綜采作業(yè)時的變形量極小，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，能夠最大程度地反應(yīng)頂板移近量的實際情況。頂板移近量監(jiān)測儀[2]的設(shè)置如圖1所示。

圖1 煤礦井下移近量傳感器布置示意圖

根據(jù)在綜采作業(yè)過程中所監(jiān)測到的兩個監(jiān)測點巷道頂板的連續(xù)移近量數(shù)據(jù)[3]，繪制了如圖2所示的井下不同監(jiān)測點頂板的移近量和井下綜采面的距離之間的變化曲線。

圖2 不同監(jiān)測點處的頂板移近量變化曲線

由監(jiān)測結(jié)果可知，在兩個監(jiān)測點位置，頂板的移近量均會隨著綜采工作面的不斷推進而快速的增加。在滯后工作面約68m處時，頂板移近量的變化開始逐漸變慢，在滯后工作面68m的范圍內(nèi)巷道頂板在受綜采時擾動的影響下其后側(cè)的頂板會有顯著的下沉，特別是在架后68m處的頂板形變量顯著，表明此時巷道頂板承受了一次大的來壓沖擊作用，該區(qū)域為巷道圍巖的變形變化區(qū)。

在滯后工作面68～166m的范圍內(nèi)，巷道頂板的變形速度逐漸趨于穩(wěn)定，其移近量的變化速率顯著低于在第一階段時的變化速率。在滯后工作面166m處頂板的移近量約為61mm，該區(qū)域為圍巖的趨穩(wěn)區(qū)。當(dāng)滯后工作面超過166m后，巷道頂板變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，移近量的變化速率也基本趨于穩(wěn)定。這主要是由于該區(qū)域的煤矸石已經(jīng)垮落并形成了較為穩(wěn)定的新的支護結(jié)構(gòu)，使井下巷道頂板形成了一個穩(wěn)定平衡區(qū)域，該區(qū)域為圍巖的穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，頂板每天的變形量不超過3mm即可認(rèn)為該處圍巖穩(wěn)定性滿足綜采作業(yè)安全的需要。通過以上分析，在井下滯后工作面約166m處的頂板變形量基本處于穩(wěn)定，在架后約200m的范圍內(nèi)同樣處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此可以確定，切頂卸壓無煤柱自成巷在架后的200m為安全區(qū)域，可撤出其支護設(shè)備。

2 煤礦井下圍巖承壓變化分析

根據(jù)塔山煤礦8222綜采工作面的實際情況，利用數(shù)值模擬分析軟件對井下圍巖的移近量變化情況[4]模擬出了不同工作面區(qū)域的承壓變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同距離處的承壓變化情況

由其不同距離處的承壓變化情況分析可知，隨著綜采作業(yè)的不斷推進，其自成巷采空區(qū)的頂板巖層沿著預(yù)留切縫逐漸地垮落，使巷道的頂板和采空區(qū)域的應(yīng)力傳輸路徑被切斷，進而使后側(cè)的頂板巷道不再受到其他區(qū)域頂板垮落的影響。分析可知，隨著綜采工作面的逐漸推進，頂板圍巖的承壓也迅速的增加。在滯后工作面約80m的位置，其承壓達(dá)到了最大值。表明在該范圍內(nèi)巷道的頂板巖石處于強烈的運動狀態(tài)，圍巖受力變形量大，極易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在綜采作業(yè)時需要對該區(qū)域進行重點支護，才能滿足綜采作業(yè)安全的要求。在支護工作面80m以后的位置，巷道圍巖承壓逐漸下降并慢慢穩(wěn)定，表明該區(qū)域內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性高。

3 結(jié)論

為了提升煤礦井下切頂卸壓無煤柱自成巷的安全性，以塔山煤礦8222綜采工作面為工程研究對象，對綜采作業(yè)過程中的圍巖承壓分布和變形狀態(tài)進行了研究，結(jié)果表明：

（1）在架后68m處的頂板形變量顯著，表明此時巷道頂板承受了一次大的來壓沖擊作用，該區(qū)域為巷道圍巖的變形變化區(qū)；

（2）滯后工作面超過166m后，巷道頂板變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，移近量的變化速率也基本趨于穩(wěn)定；

（3）在滯后工作面約80m的位置，其承壓達(dá)到了最大值，表明在該范圍內(nèi)井下巷道的頂板巖石處于強烈的運動狀態(tài)，圍巖受力變形量大，極易出現(xiàn)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，在綜采作業(yè)時需要對該區(qū)域進行重點支護，才能滿足綜采作業(yè)安全的要求。