沿空留巷礦壓監(jiān)測(cè)與顯現(xiàn)規(guī)律研究

常 韡

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 唐安煤礦分公司，山西 高平 048407)

山西蘭花煤炭實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司唐安煤礦，采用一礦一井一面模式生產(chǎn)。礦井采用斜井開拓，采用綜采放頂煤，井下一個(gè)綜放面、三個(gè)綜掘面和一個(gè)開拓面。隨著井下地質(zhì)條件和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需要，唐安煤礦當(dāng)前面臨的生產(chǎn)難題也日趨明顯。為了確保高瓦斯煤層的安全開采，目前普遍采用“采前預(yù)抽、高位裂隙抽，上隅角埋管抽”等方法相結(jié)合的瓦斯綜合治理技術(shù)。但是該技術(shù)一方面依然沒有從本質(zhì)上解決上隅角瓦斯超限問題，只能通過限產(chǎn)來確保安全生產(chǎn)；另一方面，瓦斯治理花費(fèi)高，煤礦企業(yè)噸煤成本太高，不利于新常態(tài)下礦井的健康發(fā)展。鑒于以上所述，需采用柔模混凝土沿空留巷工藝來解決上述困難。

唐安煤礦留巷因橫斷面較大、頂板煤層厚度較大，煤質(zhì)酥軟，導(dǎo)致留巷煤幫和頂板變形較為嚴(yán)重、圍巖破碎，為確保礦井的安全、高效生產(chǎn)，現(xiàn)對(duì)該礦3307綜采面沿空留巷巷道進(jìn)行壓力觀測(cè)，以保證礦井安全生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)與開采條件

1.1 礦井地質(zhì)條件

井田位于華北板塊山西板內(nèi)造山帶沁水板拗太行塊隆西側(cè)，其緊鄰東南側(cè)的晉獲褶斷帶。因受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，井田內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，總體上呈背、向斜相間的褶曲構(gòu)造，其中8個(gè)次一級(jí)背、向斜構(gòu)造，26條斷層和93個(gè)陷落柱。礦井水文地質(zhì)類型為中等。

1.2 煤層及頂?shù)装迩闆r

本工作面開采煤層為3號(hào)煤，賦存于下二疊系山西組地層，為陸相湖泊沉積，為特發(fā)熱量高的無煙煤三號(hào)(WY3)，其煤層結(jié)構(gòu)較為簡單，有0～2層的矸石夾層，為泥巖，煤層所屬層位、厚度均很穩(wěn)定。煤層煤塵無爆炸性，屬不易自燃煤層。

該工作面煤層偽頂為泥巖：厚度0～0.64 m，黑色、性脆，具均勻?qū)永恚呻S著回采垮落；直接頂為泥巖：黑色、細(xì)膩，性脆，具均勻?qū)永恚骄暮穸却蠹s3.01 m；老頂為細(xì)粒砂巖：顏色發(fā)灰，主要為石英，其次為長石，夾黑色泥紋，平均厚度為8.98 m。直接底是泥巖：顏色發(fā)黑，斷口狀態(tài)為平坦，厚度平均為6.65 m；老底泥巖：顏色發(fā)黑，脆且致密，夾粉砂紋線，水平層理發(fā)育。

2 礦壓監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1) 巷道表面位移監(jiān)測(cè)，主要包括巷道頂、底板變形量，兩幫收縮量，分析沿空巷道圍巖變形規(guī)律；

2) 巷道單體支柱支護(hù)阻力監(jiān)測(cè)；

3) 充填體壓力監(jiān)測(cè)；

4) 側(cè)向支撐壓力監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

2.2.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

觀測(cè)工作面采動(dòng)對(duì)沿空巷道變形的影響，包括巷道頂、底板變形量，兩幫收縮量，分析沿空巷道圍巖變形規(guī)律。

1) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置。在3307工作面回采留巷期間，安設(shè)3組表面位移測(cè)站，測(cè)站布置見圖1。采煤工作面前方布置3個(gè)測(cè)站，測(cè)站1、測(cè)站2、測(cè)站3距離工作面分別為60 m、50 m、40 m，用于監(jiān)測(cè)巷道受采動(dòng)影響階段及采動(dòng)影響穩(wěn)定階段圍巖變形規(guī)律；采煤工作面后方每間隔20 m布置一個(gè)測(cè)站，共5個(gè)測(cè)站，用于監(jiān)測(cè)巷道受采空區(qū)巖層頂板破壞影響階段及穩(wěn)定階段圍巖變形規(guī)律。

圖1 表面位移測(cè)站布置

2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法。表面位移測(cè)量采用“十”字布點(diǎn)法，如圖2所示。

圖2 巷道變形測(cè)站布置剖面

2.2.2 巷道單體支柱支護(hù)阻力監(jiān)測(cè)

1) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置。3307工作面軌道巷超前支護(hù)方式為單體支柱支護(hù)，在單體柱上安裝壓力監(jiān)測(cè)儀，測(cè)點(diǎn)在軌道巷超前工作面20 m處開始布置；留巷內(nèi)的支護(hù)方式為單體支柱和柔模墻體支護(hù)，在單體柱上安裝壓力監(jiān)測(cè)儀，在工作面后方柔模墻體邊緣處每隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共5個(gè)。圖3為單體柱工作阻力監(jiān)測(cè)示意圖。

圖3 單體支柱工作阻力監(jiān)測(cè)

2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法。采用TCP-40型單體支柱阻力增壓檢測(cè)儀。3307工作面軌道巷內(nèi)沿傾向方向設(shè)有4根單體柱，故每個(gè)測(cè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一排4根單體柱，每次數(shù)據(jù)采集都應(yīng)對(duì)4根單體柱進(jìn)行全部采集，采集該項(xiàng)工作安排專人進(jìn)行采取，定期采取數(shù)據(jù)。

2.2.3 充填體壓力監(jiān)測(cè)

測(cè)點(diǎn)位于柔模墻體之下，打柔模墻之前在墻體下裝入3個(gè)GH-1000壓力盒液壓枕，沿墻體寬度方向并排放置作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，液壓枕上下鋪設(shè)1～2 cm的細(xì)沙確保液壓枕均勻受力，液壓枕傳感器的線路用碎煤渣掩埋，并進(jìn)行編號(hào)，沿工作面推進(jìn)方向由采空區(qū)向巷道依次編號(hào)，即A1號(hào)、A2號(hào)、A3號(hào)、B1號(hào)、B2號(hào)、B3號(hào)、C1號(hào)、C2號(hào)、C 3號(hào)，其中A、B、C為測(cè)站號(hào)，1、2、3為壓力傳感器號(hào)(如圖4)。

圖4 充填體測(cè)點(diǎn)布置

2.2.4 側(cè)向支撐壓力監(jiān)測(cè)

1) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)布置在軌道巷下幫內(nèi)，利用GMC-20型鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)下幫煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力分布情況。巷內(nèi)分別布置兩個(gè)鉆孔應(yīng)力測(cè)站，測(cè)站均向著軌道巷下幫布置(即下工作面煤壁內(nèi))，每個(gè)鉆孔應(yīng)力測(cè)站布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，鉆孔編號(hào)為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔應(yīng)力計(jì)布置如圖5所示。

圖5 鉆孔應(yīng)力計(jì)布置

2) 施工鉆孔參數(shù)。使用風(fēng)鉆或麻花鉆施工D42鉆孔，為了能夠更加全面的監(jiān)測(cè)煤體應(yīng)力分布特征，鉆孔測(cè)點(diǎn)深度依次為15 m，10 m，5 m。相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間相距5m，鉆孔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在工作面超前60 m左右開始布置。相鄰兩個(gè)測(cè)站之間相距20 m，以避開測(cè)站之間的影響。

3 礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 巷道表面位移分析

通過在留巷內(nèi)所設(shè)測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道表面變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比各個(gè)測(cè)點(diǎn)所得數(shù)據(jù)，使用3號(hào)測(cè)點(diǎn)所得數(shù)據(jù)分析沿空留巷巷道表面變形規(guī)律并繪制變形曲線如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形曲線

圖6中各圖橫坐標(biāo)為所選3號(hào)測(cè)點(diǎn)距工作面的距離。由圖(a)可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)距工作面的距離逐步加大，巷道頂板的變形量也隨之不斷增大，距離工作面50 m左右時(shí)巷道頂板變形速度最大，當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)95 m以后巷道頂板變形趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定于216 mm；由圖(b)可知，巷道底板變形隨著工作面的不斷推進(jìn)而不斷增加，但是巷道底板穩(wěn)定時(shí)間早于頂板，當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)55 m時(shí)底板變形即趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定于35 mm；由圖(c)可知，巷道兩幫移近量隨著工作面的不斷推進(jìn)(即與測(cè)點(diǎn)的距離不斷加大)，兩幫移近量不斷增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)45～50 m時(shí)兩幫移近速度最大，當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)90 m處時(shí)兩幫移近量趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定于124 mm；由圖(d)可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，充填墻體的變形量不斷增大，當(dāng)工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)95m處時(shí)充填墻體變形最為劇烈，直至工作面推進(jìn)至距測(cè)點(diǎn)105 m處時(shí)充填墻體變形趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定于72 mm，同時(shí)充填墻體的變形呈現(xiàn)出明顯的階段性，這是因充填墻體上部頂板周期性破斷所導(dǎo)致，由圖可知，工作面平均每推進(jìn)15 m頂板會(huì)發(fā)生破斷。

3.2 巷道單體柱支護(hù)阻力分析

按照上節(jié)所定監(jiān)測(cè)方案對(duì)留巷巷道內(nèi)的單體支柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因巷道內(nèi)所設(shè)單體支柱數(shù)量大且支設(shè)時(shí)人為原因以及單體柱自身原因?qū)е聰?shù)據(jù)存在較大誤差，因此需提前對(duì)所取數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選再進(jìn)行分析，篩選后數(shù)據(jù)繪制折線圖如圖7。

圖7 單體柱支護(hù)阻力分布

圖7中橫坐標(biāo)軸表示距工作面距離。由上圖可知，單體支柱的支護(hù)阻力在留巷巷道內(nèi)沿工作面推進(jìn)方向可以分為三個(gè)區(qū)域，從工作面開始到后方50 m處為壓力增高區(qū)，50 m處至150 m處為初次穩(wěn)定區(qū)，150 m至200 m處為再次穩(wěn)定區(qū)，三個(gè)區(qū)域的分布皆因頂板向上逐層破斷所致。在150 m之后單體柱壓力再次穩(wěn)定后，單體柱的工作阻力保持在15 MPa左右，支護(hù)阻力依然較大，故此時(shí)單體柱不能回撤。

3.3 充填墻體壓力分析

監(jiān)測(cè)充填墻體的壓力盒一排三個(gè)沿墻體寬度方向放置，由于壓力盒擺放位置不同，故三個(gè)壓力盒所監(jiān)測(cè)墻體壓力有一定差別，經(jīng)過綜合對(duì)比分析，決定采用5號(hào)壓力盒的數(shù)據(jù)進(jìn)行充填墻體受力分析，所得數(shù)據(jù)繪制折線圖如圖8所示。

由圖8可知，充填墻體在構(gòu)筑完成之后壓力隨即急劇增大，緊接著又急劇減小，由此壓力變化可知充填墻體在支撐頂板且因完成切頂所以造成墻體所受頂板壓力減小，但是由于工作面的不斷推進(jìn)，采出空間不斷增大，導(dǎo)致直接頂以上各層頂板不斷變形失穩(wěn)破斷，從而導(dǎo)致充填墻體所受壓力不斷增大，頂板活動(dòng)穩(wěn)定之后，墻體所受壓力也隨之趨于穩(wěn)定。

圖8 充填墻體壓力變化

3.4 側(cè)向支撐壓力分析

按照預(yù)定監(jiān)測(cè)方案，在不同位置打深度不等的鉆孔。由于鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)無法保持絕對(duì)的水平，會(huì)有一定的仰角；同時(shí)由于煤質(zhì)較軟，長距離鉆進(jìn)時(shí)會(huì)發(fā)生踏空現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔鉆進(jìn)完成后鉆桿無法拔出和鉆進(jìn)時(shí)卡鉆現(xiàn)象的發(fā)生。在安裝監(jiān)測(cè)儀器時(shí)，由于鉆孔內(nèi)部情況不明，儀器無法送至預(yù)定位置，且儀器裝設(shè)過程中對(duì)鉆孔產(chǎn)生了一定的破壞，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)產(chǎn)生大量的裂隙。鉆孔的仰角和塌孔導(dǎo)致最終封孔時(shí)封孔材料無法到達(dá)儀器所在位置，進(jìn)而使儀器在煤體內(nèi)無法得到有效接觸，故無法獲得有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

1) 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析得出工作面后方約150 m左右巷道開始趨于穩(wěn)定，但穩(wěn)定后單體柱依然保持較大的工作阻力；巷道頂板2 m范圍內(nèi)離層明顯；周期來壓為50 m左右。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況留巷內(nèi)的單體柱暫時(shí)不能回撤；巷旁充填體在后期發(fā)生傾斜，穩(wěn)定性不足，需增加其寬度以提高穩(wěn)定性。