大采高煤層采動狀態下小煤柱留巷礦壓顯現規律

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,煤柱會在一定區域內發生塑性破壞從而降低承載能力,因此,應控制煤柱的留設寬度大于塑性破壞區域[3-4]。

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

回采巷道圍巖的監測數據與采動狀態有直接聯系,在以往的監測分析中,往往忽略了工作面的動態推進長度對巷道位移場與應力場演化的影響。為此,以陜西黃陵二號煤礦303工作面為工程背景,對區段保護煤柱寬度由35 m優化為17.5 m的技術工程進行全方位多尺度的監測分析,探究小煤柱優化后的回采巷道在工作面推進過程中的礦壓顯現規律,以驗證小煤柱留設寬度的合理性,同時為后續小煤柱留設和巷道支護參數的進一步優化提供借鑒。

1 工作面布置及地質概況

黃陵二號煤礦303大采高綜采工作面是礦井規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中部,西部、北部為未采區,南部緊鄰301工作面,東至三盤區輔運大巷。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17.5 m煤柱,303工作面回風巷與301采空區留設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輔運巷留巷監測方案

303輔運巷留巷自305切眼導硐向大巷方向布置4個測站,用于觀測頂底板移進量監測、兩幫移近量監測、錨索外露長度變化監測、錨索載荷變化監測。在303輔運巷留巷5聯巷口煤柱側幫部布置7個測點,用于煤柱的支承壓力變化監測。

2.1 圍巖表面位移監測

303輔運巷留巷自305切眼導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置一個200 mm深的鉆孔,嵌入木楔,用激光測距儀測量頂底板和兩幫距離,求出頂底板和兩幫移近量。回采期間每天觀測一次。

2.2 錨索外露長度與應力監測

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,其中頂板錨索規格φ21.8 mm×11 200 mm,兩幫部錨索規格φ21.8 mm×4 400 mm,回采期間實時監測,上傳至礦壓監測系統。

2.3 采動觀測方案

在303輔運巷留巷5聯巷口煤柱側幫部布置7個煤柱應力監測點,用于監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,每孔內安裝1臺KYS-60型煤體應力計。回采期間實時監測,上傳至礦壓監測系統進行數據收集。

3 303輔運巷小煤柱留巷監測結果分析

3.1 巷道表面位移監測結果分析

圖2為303輔運巷頂底板累計移近量變化曲線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頂底板移近量快速上升,呈對數函數的形式逐漸增加,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后趨于穩定,在后續的推進過程中,巷道圍巖的位移無明顯變化。頂底板最大移近量為2 200 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號測站的監測數據仍有少量變化,其余測站的監測數據基本達到穩定狀態,兩幫最大移近量為770 mm。

圖2 頂底板累計移近量變化曲線

3.2 錨索外露長度監測結果分析

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、煤柱側錨索外露和采面側錨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,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范圍內煤柱側錨索外露迅速縮短,表明此階段內煤柱內部發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生第二次縮短,煤柱側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,采面側錨索外露長度迅速縮短,推采過測站230 m至530 m范圍內采面側錨索外露縮短速率增大,隨后趨于穩定,采面側錨索外露最大縮短量為210 mm。

3.3 錨索應力監測結果分析

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力變化,303輔運巷頂板錨索、煤柱側錨索和采面側錨索載荷變化曲線,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,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,載荷基本穩定。超前工作面50 m至推采過測站50 m范圍內煤柱側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,載荷基本穩定。超前工作面50 m至推采過測站900 m范圍內采面側錨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,除采面側的錨索載荷有顯著增加的趨勢,頂板與煤柱側的錨索載荷基本趨于穩定,表明此處的圍巖應力場已達到重新平衡狀態,工作面繼續推進對測點處應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,達到穩定區間也更短;而采面側幫部錨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,采面側幫部錨索累計載荷變化量大于頂板和煤柱側。

3.4 煤柱支承壓力監測結果分析

圖5為303輔運巷煤柱側幫部支承壓力變化曲線。由圖可知,3 m測點應力隨工作面推進緩慢變化近似于平穩狀態,數值約為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測點應力變化規律基本一致,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,煤柱內部應力快速釋放,承載能力迅速降低,由此可知超前工作面220 m以內為采動影響區域。11 m和15 m測點支承壓力的初始值較低,變化規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力監測前就已經發生了塑性破壞,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處出現驟降,說明受采動影響后出現二次破裂,壓力加速釋放[13-14]。13 m測點的支承壓力數值最高,監測的應力數值超過12 MPa,表明巷道圍巖應力最大集中在煤體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以內為采動影響區。11 m和15 m處在觀測前已經破裂,推采過測點20～100 m后,9 m和13 m處也出現破裂,而3 m處隨著工作面回采推進一直未破裂。

4 結論

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

(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,煤柱側錨索累計載荷變化量最大為112 kN,采面側錨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、煤柱側其次,兩者均已經穩定,但采面側幫部持續緩慢增大,當推采過測站430 m后,反超過頂板和煤柱側。

(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二次破裂,支承壓力發生驟降。13 m深處的監測點是巷道圍巖應力最大集中區域,承受最高的支撐壓力。