寺河礦15＃煤層巨厚堅(jiān)硬石灰?guī)r頂板位移觀測(cè)分析

許麗君

（晉城煤業(yè)集團(tuán) 寺河煤礦 二號(hào)井，山西 晉城048019）

我國(guó)煤炭資源賦存多樣化，其中具有堅(jiān)硬頂板條件的煤層賦存比例約占30%，且分布廣泛〔1－2〕。晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井151301工作面是該礦井15＃煤層首采工作面，煤層頂板為平均厚度約10.27m的K2石灰?guī)r層，該巖層具有整體強(qiáng)度高、難以直接垮落的特點(diǎn)〔3〕，屬于較難控制的堅(jiān)硬頂板，存在頂板大面積懸露，工作面驟然來(lái)壓等事故隱患。因此，有必要通過(guò)一定的科研手段掌握?qǐng)?jiān)硬頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，指導(dǎo)類(lèi)似工作面的支護(hù)與開(kāi)采。

1 工作面概況

151301工作面開(kāi)采15＃煤層，工作面上方為3＃煤層和9＃煤層采空區(qū)。工作面直接頂板為K2石灰?guī)r層，巖層深灰色，平均厚度10.27m；直接底為深灰色泥巖層，平均厚度2.08m，局部相變?yōu)槟噘|(zhì)砂巖；基本底為平均厚度9.65m的灰色鋁土泥巖層。工作面煤層柱狀見(jiàn)圖1。工作面長(zhǎng)度210m，采高2.6m，采用一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采方法，工作面設(shè)計(jì)5條順槽，采用“三進(jìn)兩回”通風(fēng)方式。其中1513015巷、1513011巷、1513013巷為進(jìn)風(fēng)巷，1513012巷、1513014巷為回風(fēng)巷，工作面巷道布置見(jiàn)圖2。

2 觀測(cè)目的及意義

頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律是造成工作面礦壓顯現(xiàn)、巷道變形破壞的根本原因，15＃煤煤層頂板為10.27m厚的K2灰?guī)r，為厚層堅(jiān)硬頂板，煤層開(kāi)采厚度小，頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律與3＃和9＃煤層開(kāi)采存在較大差別。為了更全面的監(jiān)測(cè)分析工作面堅(jiān)硬頂板的運(yùn)動(dòng)特征，決定在頂板中布置鉆孔，安裝深基點(diǎn)，并對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中深基點(diǎn)位移的變化進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而分析工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為工作面采場(chǎng)和巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律提供理論依據(jù)。

圖1 工作面煤層柱狀

圖2 151301工作面布置

3 觀測(cè)方案及測(cè)點(diǎn)布置

在進(jìn)行頂板深基點(diǎn)位移觀測(cè)時(shí)，在151301軌道巷內(nèi)超前工作面切眼80m處施工了hh1和hh2兩個(gè)鉆孔，分別在兩個(gè)鉆孔內(nèi)安裝了深基點(diǎn)并對(duì)其初始讀數(shù)進(jìn)行了記錄。兩鉆孔及深基點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔布置示意見(jiàn)圖3。

表1 頂板運(yùn)移規(guī)律觀測(cè)鉆孔及深基點(diǎn)參數(shù)

圖3 頂板深基點(diǎn)位移觀測(cè)鉆孔布置

深基點(diǎn)位置參數(shù)計(jì)算示意見(jiàn)圖4，由示意圖幾何關(guān)系計(jì)算可知，鉆孔中基點(diǎn)深度在工作面走向方向上的投影長(zhǎng)度X、在工作面傾向方向上的投影長(zhǎng)度Y、垂直方向上的投影長(zhǎng)度Z可按公式（1）、（2）、（3）進(jìn)行計(jì)算。

圖4 深基點(diǎn)位置參數(shù)計(jì)算

式中：X為基點(diǎn)深度在工作面走向方向上的投影長(zhǎng)度；Y為基點(diǎn)深度在工作面傾向方向上的投影長(zhǎng)度；Z為基點(diǎn)深度在垂直方向上的投影長(zhǎng)度；L為基點(diǎn)深度，分別取3m、6 m、9m、12m、15m、18m、21m、24m、27m、29.5m；α為鉆孔仰角，兩鉆孔均為20°9′28″；β為鉆孔水平角，其中hh2鉆孔取30°，hh1鉆孔取45°。

通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算，鉆孔深基點(diǎn)位置參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 深基點(diǎn)位置參數(shù)

4 觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

在深基點(diǎn)的安裝過(guò)程中，由于hh2鉆孔中的4＃基點(diǎn)（12m）和10?；c(diǎn)（29.5m）破壞失效，鉆孔中9?；c(diǎn)深度略有加深；hh1鉆孔中的2?；c(diǎn)（6m）破壞失效，其余基點(diǎn)均正常使用。在隨后的工作面生產(chǎn)過(guò)程中，安排專(zhuān)人根據(jù)工作面的推進(jìn)情況定期下井對(duì)深基點(diǎn)的位移進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)鉆孔距工作面距離進(jìn)行測(cè)量，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，進(jìn)而對(duì)工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析和研究。以各個(gè)監(jiān)測(cè)深基點(diǎn)距工作面的距離為橫坐標(biāo)（其中正值表示基點(diǎn)在工作面前方，負(fù)值表示基點(diǎn)在工作面后方），以基點(diǎn)位移變化量為縱坐標(biāo)（其中正值表示測(cè)繩伸長(zhǎng)即巖層出現(xiàn)離層、冒落等現(xiàn)象，導(dǎo)致巖層層位下降；位移變化值回彈則表示出現(xiàn)了離層裂隙閉合、巖層破斷壓實(shí)等現(xiàn)象），繪制出深基點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 頂板hh2鉆孔深基點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)

圖6 頂板hh1鉆孔深基點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)

基點(diǎn)觀測(cè)鉆孔位于1513012巷的回采側(cè)，工作面推過(guò)來(lái)后，鉆孔就不能再繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)。因此觀測(cè)基點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)有限。hh2鉆孔由于其水平角度較小，觀測(cè)到最遠(yuǎn)距離為工作面后方23m，觀測(cè)到的基點(diǎn)的最大位移約為65 mm。

由圖5、6頂板鉆孔深基點(diǎn)的位移變化曲線(xiàn)可以看出，基點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)平緩增長(zhǎng)，說(shuō)明觀測(cè)期間沒(méi)有出現(xiàn)頂板突然斷裂，也沒(méi)有發(fā)生劇烈沉降?；c(diǎn)位移變化量沒(méi)有出現(xiàn)較大偏差，說(shuō)明頂板巖層內(nèi)部無(wú)明顯的離層裂隙，沉降值同步變化。

從hh2鉆孔深基點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)來(lái)看，始動(dòng)點(diǎn)的位置位于工作面前方1.5m左右，觀測(cè)基點(diǎn)在垂直方向上的變化，反映了始動(dòng)點(diǎn)的位置向工作面后方的轉(zhuǎn)移情況。在工作面后方7m范圍內(nèi)，基點(diǎn)位移速率變化緩慢；后方7～15 m，基點(diǎn)位移速率變化較大；后方15m之后，基點(diǎn)位移速率變化進(jìn)一步變緩。此種情況的出現(xiàn)是由于工作面后方7m范圍內(nèi)支架對(duì)頂板發(fā)揮了較為有效的支護(hù)，巖層下沉量不明顯；工作面后方7～15m頂板處于無(wú)約束緩慢下沉狀態(tài)，下沉較為明顯；工作面后方22m之后，工作面基本頂彎曲下沉趨勢(shì)逐漸平緩，hh1鉆孔中深基點(diǎn)位移變化規(guī)律與其類(lèi)似。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)深基點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面K2石灰?guī)r堅(jiān)硬頂板下分層出現(xiàn)了明顯冒落，表現(xiàn)出了直接頂?shù)男再|(zhì)，頂板上分層則表現(xiàn)出了整體緩慢下沉特性。

2）下部頂板巖層中基點(diǎn)出現(xiàn)較大下沉位移變化。但是由于下部基點(diǎn)距孔口較近，只能對(duì)控頂區(qū)范圍內(nèi)的基點(diǎn)位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而在控頂區(qū)范圍內(nèi)，支架對(duì)頂板提供了有效的支護(hù)，控制了上巖層裂隙發(fā)育和下沉變化，導(dǎo)致未監(jiān)測(cè)到下部基點(diǎn)劇烈位移變化。

〔1〕王 開(kāi).普采工作面堅(jiān)硬頂板控制及其研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2006.

〔2〕楊玉輝，祖賀軍.厚煤層堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析〔J〕.煤炭技術(shù)，2011，30（2）：67－69.

〔3〕韓立軍，蔣斌松，韓貴雷，等.晉城礦區(qū)厚層脆韌性石灰?guī)r頂板變形與控制特性研究〔J〕.巖土力學(xué)，2010，31（6）：1841－1846.