淺埋大采高綜采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測與分析

冉星仕

(神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300)

大采高綜采作為一種高產(chǎn)高效的采煤方法逐步在我國厚煤層的開采中得到普遍應(yīng)用[1]，其采出率高于分層和綜放開采；但由于煤層開采厚度較大(大于3.5m)，工作面回采過程中回采巷道礦壓顯現(xiàn)程度較一般綜采更大[2]，巷道變形更為嚴(yán)重，增加了巷道維護難度，提高了巷道維護返修成本，威脅礦井安全高效生產(chǎn)[3]。為了分析淺埋大采高綜采巷道在工作面回采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為巷道支護形式和參數(shù)的選取與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，針對隆德煤礦201工作面回采巷道圍巖壓力與變形進行了實測研究。

1 地質(zhì)概況

隆德煤礦201工作面位于2-2煤層輔運大巷西側(cè)，南部為203工作面采空區(qū)，地面標(biāo)高為+1197.2～+1236.1m，工作面標(biāo)高為+1001.8～+1033.1m，平均埋深在190m，在兩巷掘進過程中揭露斷層均為小型斷層，對工作面的回采基本無影響。工作面平均采高3.95m，工作面長300m，區(qū)段保護煤柱為20m，頂板管理方法為全部垮落法。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

2 回采巷道監(jiān)測方案

工作面回采巷道礦壓監(jiān)測包括巷道表面位移、巷道深基點變形和圍巖壓力監(jiān)測3個方面。

2.1 采動壓力觀測方案

在201工作面膠帶巷工作面?zhèn)群突仫L(fēng)巷兩側(cè)打鉆孔布置3組應(yīng)力測站，用于監(jiān)測回采中巷道圍巖的壓力，掌握回采對巷道超前采動影響范圍及程度。第1測站超前切眼200m，測站間距為50m，鉆孔間距為2m，工作面實體煤側(cè)和煤柱側(cè)鉆孔，每孔內(nèi)安裝1臺KSE-Ⅱ-1型鉆孔應(yīng)力，如圖1所示。實測時，當(dāng)測點距離工作面50m以外時，鉆孔應(yīng)力計每隔1h記錄1次，40m以內(nèi)時0.5h記錄1次。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2.2 采動影響巷道圍巖變形觀測方案

2.2.1 巷道表面位移觀測

工作面在兩巷掘進期間，在膠帶和回風(fēng)巷布置測站，間距為50m，采用“十字法”布置，用激光測距儀測量頂?shù)装搴蛢蓭途嚯x，求出頂?shù)装搴蛢蓭鸵平縖4]。

在兩巷觀測站的頂?shù)装搴蛢蓭椭胁堪惭b基點，基點采用500mm長的鋼桿并將其錘入巖體內(nèi)部，保證基點不松動，回采巷道變形每天觀測一次[5]。

圖1 鉆孔應(yīng)力計布置

2.2.2 圍巖內(nèi)部位移觀測

為了深入分析兩巷圍巖活動規(guī)律，在工作面兩巷超前工作面各設(shè)3個觀測站，分別在頂板和兩幫安裝DW-6型深基點鉆孔多點位移計。巷道圍巖深基點分別安裝在距巷道表面1m，2m，4m和6m。多點位移計主要是了解巷道圍巖不同深度位移，巖層弱化和破壞范圍，判斷圍巖之間是否發(fā)生離層。

3 現(xiàn)場實測結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖應(yīng)力監(jiān)測

3.1.1 工作面?zhèn)葢?yīng)力分析

(1)回風(fēng)巷工作面?zhèn)瘸爸С袎毫?/p>

圖2為回風(fēng)巷工作面?zhèn)瘸爸С袎毫Ψ植记€，橫坐標(biāo)為超前工作面距離。工作面回采過程中，10m，15m和20m測點應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。超前工作面25m以內(nèi)為采動顯現(xiàn)影響區(qū)，3m，10m，15m和20m測點應(yīng)力增長速率隨工作面推進明顯增高，6m測點增長率最高，說明采動引起應(yīng)力集中位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)發(fā)育寬度為6m左右；測點應(yīng)力峰值系數(shù)k變化情況說明巷道圍巖破裂區(qū)距巷幫寬度小于3m；隨著工作面繼續(xù)推進，超前支承壓力呈現(xiàn)應(yīng)力降趨勢。

圖2 工作面?zhèn)瘸爸С袎毫Ψ植记€

(2)膠帶巷工作面?zhèn)瘸爸С袎毫?/p>

圖3為工作面?zhèn)瘸爸С袎毫Ψ植记€。超前工作面30m以外時，超前支承壓力值處于原巖應(yīng)力狀態(tài)；超前工作面22m范圍內(nèi)為超前支承壓力影響顯現(xiàn)區(qū)，采動超前支承壓力值一直處于高速增長狀態(tài)，其中10m測點在靠近工作面附近處應(yīng)力增長速率最大，15m和20m測點的應(yīng)力集中系數(shù)趨于穩(wěn)定為1.75，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.87，超前支承壓力峰值超前煤壁3m左右。

圖3 工作面?zhèn)瘸爸С袎毫Ψ植记€

3.1.2 煤柱側(cè)超前支承壓力

圖4為回風(fēng)巷煤柱側(cè)超前支承壓力分布曲線。

工作面回采過程中，3m和9m測點的應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，6m測點應(yīng)力增速最大，15m測點次之，12m應(yīng)力增速最??；6m測點應(yīng)力集中系數(shù)最大。煤體超前工作面55m以外時，超前支承壓力值處于原巖應(yīng)力狀態(tài)(5MPa)；3m，9m，12m和15m測點的支承壓力在45～23m范圍內(nèi)以低速率緩慢增加，采動前k基本一致，平均為1.05，6m測點應(yīng)力增長速率最高，k為1.29；超前工作面23m內(nèi)為超前支承壓力影響顯現(xiàn)區(qū)，期間6m和15m測點應(yīng)力變化增速明顯；超前工作面煤壁4～7m處煤體超前支承壓力出現(xiàn)了峰值，3m，9m和15m測點應(yīng)力峰值接近，應(yīng)力峰值集中系數(shù)為1.50左右，6m測點出現(xiàn)了最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.29，12m測點應(yīng)力增長相對緩慢，出現(xiàn)了低應(yīng)力集中，k為1.15；隨后工作面繼續(xù)推進，煤體超前支承壓力出現(xiàn)壓力降的趨勢。

3.2 巷道表面位移分析

3.2.1 回風(fēng)巷表面變形

圖5為回風(fēng)巷表面收斂變形曲線。超前工作面86～36m左右范圍內(nèi)為變形增速區(qū)域，圍巖變形增速轉(zhuǎn)折位置為86m，其變形速率開始明顯增大，期間兩幫與頂?shù)装逡平糠謩e為13mm和11mm，底板有少量底鼓；巷道在采動影響區(qū)0～36m內(nèi)，兩幫和頂?shù)装宓淖冃渭眲≡黾?，變形量分別為35mm和47mm。兩幫和頂?shù)装遄畲笞冃嗡俣染诓擅媲胺?m左右。兩幫和頂?shù)装逡平坷塾嬑灰茷?6mm和62mm。

圖5 回風(fēng)巷巷道表面位移曲線

3.2.2 膠帶巷表面變形

圖6為膠帶巷表面收斂變形曲線。超前工作面22m為變形增速轉(zhuǎn)折點，該處累計位移分別為13mm和18mm；超前工作面22m范圍內(nèi)為變形激增階段即采動影響區(qū)，圍巖變形速率明顯增加，期間兩幫與頂?shù)装逡平糠謩e為17mm和19mm。兩幫與頂?shù)装遄畲笞冃嗡俣仍诓擅媲胺?m左右，此處為采動影響最大區(qū)域。兩幫和頂?shù)装逡平坷塾嬑灰品謩e為32mm和42mm。

圖6 膠帶巷表面位移曲線

3.3 圍巖內(nèi)部位移分析

圖7為回風(fēng)巷圍巖深基點位移曲線。在超前工作面35m位置為基點穩(wěn)定運動階段，未出現(xiàn)離層；基點累計位移量頂板最大，煤柱側(cè)次之，工作面?zhèn)茸钚。?5～5m為位移激增階段，基點累計位移量與穩(wěn)定階段一致；3個位置基點的最大位移差為4mm，5mm和8mm，均在1m和2m基點間，淺部圍巖變形與離層量較深部明顯，但淺部煤體未產(chǎn)生明顯的離層；圍巖變形在0～2m范圍內(nèi)，占累計總位移的84.4%，說明圍巖的弱化與破壞范圍集中在距巷幫2m范圍內(nèi)。

4 小 結(jié)

(1)回風(fēng)巷與膠帶巷工作面超前支承壓力峰值位于工作面前方3～7m，超前支承壓力影響顯現(xiàn)范圍為22～28m，工作面端頭出現(xiàn)最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.29。

(2)巷道表面位移演化過程分為3個階段：變形微增區(qū)域、變形增速區(qū)域以及變形穩(wěn)定區(qū)域。煤柱頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬ξ灰屏靠刂圃?4mm以內(nèi)。巷道圍巖內(nèi)部也產(chǎn)生變形，但不同深度不同部位圍巖的變形速度不同，隨深度增加，圍巖的變形速度逐漸減小，并且巷道頂板最大，煤柱次之，工作面?zhèn)茸钚　?/p>

(3)深基點最大位移差出現(xiàn)在1m和2m基點間為錨桿的主要作用范圍，而4m和6m深基點相對位移較小且位移差最小，表明淺部圍巖變形較深部明顯，煤體未產(chǎn)生明顯的離層現(xiàn)象，圍巖的弱化與破壞范圍集中在距巷幫2m范圍內(nèi)。