下保護層開采對上覆煤巷的動態(tài)影響規(guī)律分析

馮艷杰

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

下保護層的開采不可避免地導致上覆巖層的彎曲下沉變形，形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，在巖層卸壓區(qū)域邊緣形成應力升高區(qū)，區(qū)域內圍巖裂隙發(fā)育[1-5]。布置在該區(qū)域的巷道受圍巖應力變化發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的“松軟散”特征。張華磊等[6]采用FLAC對下保護層開采引起上覆巖層的卸壓變形進行了數(shù)值模擬分析，得出下保護層開采會使上覆巖層產生大量裂隙，根據(jù)巷道斷面變形量的大小確定卸壓影響范圍；劉彥偉等[7]采用力學分析和數(shù)值模擬的方法對上覆煤巷的應力分布、位移變化等進行了分析，得出層間距越大，卸壓程度越小，最大應力集中位置越靠近采空區(qū)，卸壓范圍也越小。

受工作面采動影響，巷道呈現(xiàn)出明顯的頂板下沉、兩幫內擠、底板鼓起等變形特征，嚴重影響了工作面的正常生產。因此，為有效控制此類巷道圍巖穩(wěn)定，需要對巷道受力變化特點進行深入研究。

1 煤層群上行開采機理

上行開采能否順利實施主要與下煤層的開采方法、煤層間距與下層煤的采高、上下煤層的開采時間間隔、煤層間巖性及結構等因素密切相關。

煤層群上行開采原則為下保護層的開采不能對上覆煤層造成強烈的采動影響。上覆煤層的彎曲下沉是難以避免的，但應保證上覆煤層具有一定的完整性，煤層不產生較大范圍的滑動和錯位。

采用上行開采順序，由于下煤層開采破壞了原始地應力平衡，巖層擾動后應力重新分布，形成一個新的平衡狀態(tài)[8-11]。當巖體的極限強度低于二次分布應力時，不可避免地導致上覆巖層下沉變形并達到破壞狀態(tài)。巖層發(fā)生變形破壞后，不可避免地會產生大量的開采裂縫，導致煤層整體將被破壞，巖體的剪切變形會引起煤或巖體的臺階錯動。但隨著時間的推移，開采裂隙在一定程度上和范圍內進入壓實閉合狀態(tài)。因此，要順利實施上行開采，并達到理想的開采效果，關鍵在于找出圍巖裂隙破壞發(fā)展規(guī)律，重點在于控制煤層上覆巖層的層間滑動和臺階錯動。

某礦11233運輸巷屬于上煤層工作面的回采巷道，位于其下方的11269回風巷屬于下煤層工作面的回采巷道，其巷道空間布置關系如圖1所示。11233運輸巷受11269工作面回采影響，巷道變形嚴重。為了解11269工作面回采對11269回風巷及11233運輸巷的采動影響，在工作面回采過程中，對11269回風巷和11233運輸巷的支承壓力進行了觀測，將收集到的數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計，找出11269工作面回采對11233運輸巷支承壓力分布的影響特點。為今后類似條件下工作面的回采提供參考依據(jù)。

圖1 巷道空間布置關系(m)

2 測量儀器

本次研究主要采用礦壓監(jiān)測設備YHY-60型單體柱壓力測量儀，配合紅外線礦用手持采集器對巷道進行支承壓力的測量，測量儀器如圖2所示。在巷道的不同位置處布置測點，將壓力測量儀安裝在單體液壓支柱上，通過紅外線礦用手持采集器按照紅外協(xié)議采集數(shù)據(jù)到采集器，然后帶到井上通過傳輸接口輸入到計算機里面，進行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖2 測量儀器實物

3 支承壓力監(jiān)測方案

工作面超前支承壓力是巷道超前支護的主要依據(jù)[12-13]。在工作面11269回風巷及上覆煤層11233運輸巷安裝YHY-60型單體柱壓力測量儀，每隔3～5 d用紅外線礦用手持采集器采集并存儲相關數(shù)據(jù)，同時將測力儀清零。重復上述工作，直至本工作面回采結束。具體測點布置如下：

1) 在11269回風巷停采線位置往里10 m布置2號測點，并安裝單體柱壓力測量儀，停采線位置往里30 m布置4號測點，并安裝單體柱壓力測量儀。

2) 在11233運輸巷中對應于11269回風巷2號、4號測點位置布置1號、3號測點，并分別安裝單體柱壓力測量儀，兩個測點之間距離為20 m。測點布置如圖3所示。

4 實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

將兩條巷道的測點數(shù)據(jù)分別導入計算機統(tǒng)計整理后，按距工作面的距離將對應的數(shù)據(jù)取平均值，得出11269回風巷支承壓力分布規(guī)律及擬合曲線如圖4所示，11233運輸巷支承壓力分布規(guī)律及擬合曲線如圖5所示。為了更直觀的對比分析，11269回風巷與11233運輸巷支承壓力對比曲線如圖6所示。

圖3 測點布置

圖4 11269回風巷支承壓力分布規(guī)律

圖5 11233運輸巷支承壓力分布規(guī)律

圖6 支承壓力對比曲線

由圖4可以看出，隨著工作面的不斷推進，單體柱壓力測量儀距煤壁距離越來越近，支承壓力隨之增加，在距煤壁大約30 m處，第一次出現(xiàn)一個小的峰值，為12.8 MPa，隨著工作面繼續(xù)推進，在距煤壁大約18 m位置處，支承壓力峰值達到15.1 MPa，其支承壓力擬合曲線呈6次多項式分布，這是一條理想情況下的支承壓力分布曲線；從擬合曲線可以看出，隨著工作面的不斷推進，支承壓力不斷增加，最終達到一個峰值，隨后又開始下降。由圖5可以看出，隨著11269工作面的不斷推進，11233運輸巷支承壓力隨之增加，在距煤壁大約35 m處，第一次出現(xiàn)一個小的峰值，為7.2 MPa，隨著工作面繼續(xù)推進，在距煤壁大約15 m位置處，支承壓力峰值達到8.4 MPa，其支承壓力擬合曲線也大致呈6次多項式分布；從擬合曲線可以看出，隨著11269工作面的不斷推進，其支承壓力也不斷增加，最終達到一個峰值，隨后又開始下降。

由圖6可以看出，隨著11269回風巷支承壓力的不斷增加，11233運輸巷支承壓力也隨之增大，曲線分布走勢大致相同。受到下部11269工作面的采動影響，上部11233運輸巷在11269工作面煤壁距測點50 m處，其支承壓力就開始呈增大趨勢。

5 結 語

1) 隨著下部工作面的不斷推進，其上部回采巷道前方支承壓力也隨之發(fā)生變化。下部工作面的采動應力會直接作用在上部巖層中，導致處于上部受影響區(qū)域的巷道圍巖發(fā)生變形。

2) 11269回風巷支承壓力峰值點位置在距工作面約18 m左右，11233運輸巷壓力峰值點位置在對應11269工作面約15 m左右。根據(jù)上述支承壓力的分布規(guī)律及巷道圍巖的變形，11269回風巷其超前支承壓力影響范圍在55 m以上，11233運輸巷其超前支承壓力影響范圍至少為50 m，取安全系數(shù)1.2～1.5，則應預先從11233工作面前方60～75 m范圍內開始對巷道加固，11269工作面則應在66～82 m范圍內對巷道進行加固。