長平煤業(yè)5302綜放工作面巷道超前礦壓規(guī)律與其他開采活動(dòng)對(duì)礦壓影響研究

王 飆

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)鄂托克前旗恒源投資實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

1.1 工作面概況

長平井田位于高平市西北寺莊鎮(zhèn)境內(nèi)，礦井東南距高平市17km，北距長治市45km，南距晉城煤業(yè)集團(tuán)53km。5302綜放工作面位于3#煤一水平五盤區(qū)南翼，為五盤區(qū)的首采工作面；地面標(biāo)高979－1170m，煤層底板標(biāo)高412－480m，工作面走向長度1509.17m（幫—停），傾斜長度295.00m（幫—幫），煤層平均厚度5.64m；該工作面在1066m處布置有第二切眼，長101.5m；工作面東部為5301工作面（尚未布置），西部為5303工作面（正在布置），北部為五盤區(qū)大巷，南部為西玨山廟保護(hù)煤柱。

1.2 煤層性質(zhì)

煤層總厚度6.0 4 m，中間有2 層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)情況為0.45(0.30)3.95(0.25)1.09，煤層傾角2-9°，平均5°，煤呈黑色，煤芯呈塊狀及短柱狀，玻璃光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，階梯狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育，夾矸為炭質(zhì)泥巖及泥巖。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示：

從四盤區(qū)三個(gè)地應(yīng)力測站的圍巖強(qiáng)度測試結(jié)果來看，井下巷道鉆孔中測出的煤體平均單軸抗壓強(qiáng)度集中在13.8～15.4MPa之間。煤層頂板直接頂砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度在27.6～32.6MPa之間，單軸抗壓強(qiáng)度較??；老頂細(xì)粒砂巖，強(qiáng)度在70.0～80.0MPa之間，平均72.1MPa，單軸抗壓強(qiáng)度較大。煤層直接底為泥巖，強(qiáng)度在23.8～28.9MPa之間，單軸抗壓強(qiáng)度較小；老底粉砂巖，平均強(qiáng)度70.1MPa。

表1 煤層頂?shù)讕r層情況

1.3 工作面水文地質(zhì)條件

巷道掘進(jìn)中涌水的主要來源為頂板砂巖含水層水，局部地段可能遇到底板砂巖含水層水。涌水形式為頂板淋水、頂板裂隙滲水和底板涌水，預(yù)計(jì)工作面正常涌水量為6m3/h，最大涌水量為12m3/h。據(jù)礦井瓦斯鑒定及鄰近工作面瓦斯檢測結(jié)果，預(yù)計(jì)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量1.35-2.74m3/min；預(yù)計(jì)工作面二氧化碳絕對(duì)涌出量為1.16-1.38m3/min。煤塵無爆炸性危險(xiǎn)，屬于不自燃煤層，地溫變化區(qū)段為18.6-23.05℃，平面地溫變化很小，無地溫異常，工作面地壓為8.875-13.125MPa。本礦井未曾出現(xiàn)沖擊地壓，預(yù)計(jì)工作面無沖擊地壓和應(yīng)力集中危害。

本區(qū)屬大陸性氣候，據(jù)晉城市氣象站觀測資料：年平均氣溫為10.88℃，最高氣溫為38.6℃，最低氣溫為-22.8℃；年降水量為292.0～1008.8mm，6～9月份降水量占全年的70%；年平均蒸發(fā)量為1009.6mm，干旱指數(shù)為1.58，屬半濕潤區(qū)；該區(qū)夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，最大風(fēng)速十級(jí)，一般為3～4級(jí)；全年無霜期180d左右，每年11月至次年3月為結(jié)冰期，凍土深度一般為0.30～0.43m。

2 巷道超前礦壓規(guī)律與其他開采活動(dòng)對(duì)礦壓影響研究

2.1 巷道礦壓設(shè)備布置方案

布置方案為分別在53021、53023兩巷布置72組巷道礦壓監(jiān)測設(shè)備，包括72個(gè)頂板離層儀、80個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)、72個(gè)錨桿測力計(jì)，具體布置方案如圖1所示。

圖1 巷道礦壓設(shè)備布置方案

53021、53023兩條巷道每個(gè)巷道布置36組測站，其中3#測站和7#測站為鉆孔應(yīng)力集中監(jiān)測測站，每個(gè)測站布置3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m共計(jì)8個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，以及2個(gè)錨桿測力計(jì)（頂板一個(gè)、內(nèi)幫一個(gè)）和1個(gè)頂板離層儀，其余測站布置1個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)、2個(gè)錨桿測力計(jì)和1個(gè)頂板離層儀。由1#測站（靠近切眼）向36#測站依次布置。首次兩巷各布置20個(gè)測站（由于缺少錨桿測力計(jì)，53023巷布置19組），當(dāng)測站進(jìn)入采空區(qū)前，拆除鉆孔應(yīng)力計(jì)和錨桿測力計(jì)，并將拆除的設(shè)備安裝在巷道前方新增測站上。

2.2 各測站礦壓數(shù)據(jù)分析

分別對(duì)53021巷、53023巷頂板離層量、頂錨桿應(yīng)力、幫錨桿應(yīng)力、煤體應(yīng)力等數(shù)值增量明顯的單一測站隨時(shí)間變化的礦壓規(guī)律進(jìn)行分析。

2.2.1 頂板離層數(shù)據(jù)分析

53021巷6#測站頂板離層量變化明顯，1月17日，該測站超前工作面70m左右離層量開始增大，在超前工作面60m時(shí)深層位移量為449mm，淺層位移量為461mm。

2.2.2 巷道頂錨桿應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

巷道頂錨桿應(yīng)力變化曲線如圖2所示，53021巷2#測站頂錨桿應(yīng)力在超前工作面70m處開始增大，超前30m時(shí)明顯增大，由超前30m位置的28kN增至超前7m位置的103kN，增量達(dá)75kN，增幅達(dá)到269%。53021巷5#測站頂錨桿應(yīng)力在超前工作面81m處開始增大，在超前50m時(shí)達(dá)到108kN，增量達(dá)到49kN，增幅為83.1%，而且由圖2（b）可知仍有繼續(xù)增大的趨勢。53021巷6#測站頂錨桿應(yīng)力在超前55m處明顯增大，1月31日超前工作面31m時(shí)增大至102kN。53021巷9#測站頂錨桿應(yīng)力在超前工作面200m時(shí)開始快速升高，超前工作面170m時(shí)達(dá)到86kN。由此分析可知頂錨桿受巷道超前動(dòng)壓影響在工作面前方81m增幅明顯加大，幫錨桿應(yīng)力影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)175m，在超前100m時(shí)增幅提升。

2.2.3 巷道幫錨桿應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

53021巷1#測站幫錨桿在超前60m位置開始緩慢增大，超前工作面40m時(shí)應(yīng)力驟增至68kN，增量48kN，而后緩慢增大，在設(shè)備拆除前（超前工作面5m）應(yīng)力增大至135kN。53021巷5#測站幫忙應(yīng)力超前工作面175m處開始增加，但幅度不大，當(dāng)超前工作面100m時(shí)開始快速增大，在超前工作面81.9m時(shí)增大至76kN。53023巷3#測站幫錨桿應(yīng)力在超前130m處開始增加，最大值達(dá)到102kN。53023巷16#測站幫錨桿應(yīng)力在超前400m時(shí)應(yīng)力超過60kN，可能由于周邊存在構(gòu)造導(dǎo)致巷道應(yīng)力 升高。

圖2 頂錨桿應(yīng)力變化曲線

圖3 煤體應(yīng)力變化曲線圖

2.2.4 煤體應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

各測站煤體應(yīng)力曲線如圖3所示。53021巷3#測站5m深煤體應(yīng)力在超前工作面50m處開始增大，12月1日經(jīng)卸壓爆破后應(yīng)力明顯降低，而后增速放緩；53021巷5#測站7m煤體應(yīng)力在超前工作面160m處開始增大，超前工作面89m時(shí)快速升高，在工作面前方16.9m時(shí)達(dá)到12.1MPa；53023巷3#測站3m鉆孔在超前工作面130m處開始緩慢增大，超前工作面25m時(shí)迅速增大，11月26日拆除前，最大應(yīng)力值達(dá)16MPa，該測站15m深煤體應(yīng)力在超前工作面30m時(shí)迅速增大，12月8日拆除前，應(yīng)力值達(dá)15.1MPa；53023巷5#測站7m深煤體應(yīng)力在超前工作面230m時(shí)開始緩慢增長，距工作面51.2m時(shí)應(yīng)力增至10MPa，并仍有上漲趨勢。53023巷7#測站9m深煤體應(yīng)力在超前工作面75m時(shí)應(yīng)力快速升高，超前工作面40m時(shí)應(yīng)力值達(dá)到16MPa，并仍有升高趨勢。

3 其他開采活動(dòng)對(duì)礦壓的影響

3.1 巷道卸壓爆破效果分析

為了分析深孔爆破卸壓對(duì)兩巷及工作面礦壓顯現(xiàn)的影響程度，分別分析卸壓前后5302工作面支架壓力、53021巷、53022巷煤體應(yīng)力的變化情況。

1）53021巷首次卸壓時(shí)間為9月8日～9月11日，考慮到卸壓對(duì)機(jī)頭機(jī)尾支架影響最為直接，分析卸壓前（8月15日～10月12日，機(jī)頭0～70m范圍）、卸壓后（9月8日機(jī)頭回采至10.4m，由于卸壓孔布置在超前工作面60m～110m，該位置回采時(shí)間為10月13日～11月13日）機(jī)頭附近10架支架壓力的變化情況，卸壓前，1～10#支架循環(huán)末阻力平均值為6473.9kN，卸壓后循環(huán)末阻力平均值為5782.6kN。卸壓后循環(huán)末阻力降幅為10.7%。

2）53023巷卸壓時(shí)間為8月28日～9月28日，分析卸壓前（8月15～9月3日，機(jī)尾0～10m）、卸壓后（8月28日機(jī)尾推進(jìn)度為0，卸壓孔超前工作面10m～108m，該位置回采時(shí)間為9月4日～11月1日）機(jī)尾附近10架壓力變化情況，卸壓前，161～171#支架循環(huán)末阻力平均值為5908.5kN，卸壓后循環(huán)末阻力平均值為5281.8kN，卸壓后循環(huán)末阻力降幅為10.6%。

3）53023巷9月24～28日對(duì)距切眼96～118m位置巷道進(jìn)行卸壓爆破，2#測站位于該影響區(qū)內(nèi)，幫錨桿應(yīng)力明顯降低，由43kN降至6kN，降幅明顯，其他測站數(shù)據(jù)并未在卸壓爆破后發(fā)生明顯變化。

53021巷3#集中測站在12月3日進(jìn)行了深孔爆破工作，53023巷3#集中測站附近測點(diǎn)在11月26日進(jìn)行深孔爆破，各測點(diǎn)壓力變化情況如表2所示。

表2 深孔爆破對(duì)巷道礦壓的影響

通過以上分析可以看出，巷道卸壓爆破能夠有效降低巷道及工作面機(jī)頭機(jī)尾頂板壓力，卸壓后，兩端頭附近支架壓力平均降幅為10.55%，巷道煤體應(yīng)力平均降幅為24.78%，卸壓效果較為明顯。

4.3.2 頂板活動(dòng)對(duì)工作面淋水的影響

由地質(zhì)條件可知，5302工作面上方40m處為K8含水層，110m處為K10含水層，根據(jù)現(xiàn)場觀測，工作面分別出現(xiàn)三次頂板淋水，具體情況如表3 所示。

表3 工作面頂板淋水情況

1）10月3日，129#～139#支架開始來壓，其中133#～136#支架安全閥頻繁開啟，來壓持續(xù)時(shí)間最長持續(xù)到10月12日，10月9日，142～147#支架來壓，部分支架安全閥開啟，表明該時(shí)間內(nèi)129#～147#支架上方頂板活動(dòng)劇烈。根據(jù)微震系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)顯示，10月2日～10月11日，工作面共發(fā)生5次103J以上較大能量微震事件，其中1次最大能量事件發(fā)生在工作面靠近機(jī)尾附近，能量達(dá)到1.3×104J，層位位于頂板上方31m處，該能量事件可能是由于關(guān)鍵層斷裂導(dǎo)致，使得K8含水層導(dǎo)通工作面，造成工作面淋水。

2）11月14日，122#～141#支架附近頂板來壓，11月17日～18日來壓加劇，部分支架安全閥開啟，11月14日～11月19日共發(fā)生7次較大能量事件，其中11月17日在工作面距機(jī)尾30m位置發(fā)生一次1.1×104J大能量事件，位于頂板上方25m處，結(jié)合工作面礦壓分析結(jié)果，應(yīng)為工作面基本頂大范圍斷裂后導(dǎo)通K8含水層，造成工作面淋水。

3）12月5日，工作面140#～153#支架陸續(xù)來壓，145#～153#支架安全閥頻繁開啟，礦壓顯現(xiàn)明顯。對(duì)應(yīng)微震事件可以看出，12月2日～12月6日，工作面靠近機(jī)尾附近發(fā)生6次較大能量微震事件，其中兩次發(fā)生在底板中，一次發(fā)生在煤層中，三次發(fā)生在頂板，最大震動(dòng)能量為5.5×104J，發(fā)生層位在頂板上方30m位置，通過層位判斷應(yīng)為K8含水層附近頂板斷裂所致。

4.4 小結(jié)

本文通過對(duì)53021巷、53023巷頂板離層量、頂錨桿應(yīng)力、幫錨桿應(yīng)力、煤體應(yīng)力的現(xiàn)場監(jiān)測與分析得出以下結(jié)論：

1）頂錨桿受巷道超前動(dòng)壓影響在工作面前方81m增幅明顯加大，幫錨桿應(yīng)力影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)175m，在超前100m時(shí)增幅提升，煤體應(yīng)力受超前動(dòng)壓影響最遠(yuǎn)可達(dá)230m，在超前89m時(shí)增幅提升。

2）超前動(dòng)壓影響范圍在工作面前方80～100m范圍，在此區(qū)域內(nèi)，巷道壓力增幅明顯升高，個(gè)別測點(diǎn)在超前工作面25～30m時(shí)錨桿應(yīng)力和煤體應(yīng)力迅速升高。

3）可以大致將工作面超前動(dòng)壓影響區(qū)分為三個(gè)區(qū)域：（1）超前應(yīng)力顯著影響區(qū)，位于工作面前方0～30m；（2）超前應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，位于工作面前方30～100m；（3）超前應(yīng)力覆蓋區(qū)，位于工作面前方100～230m。

4）基于工作面現(xiàn)場條件，運(yùn)用礦壓分析手段對(duì)巷道切頂卸壓效果及工作面淋水原因進(jìn)行了分析，卸壓爆破后，兩端頭附近支架壓力平均降幅為10.55%，巷道煤體應(yīng)力平均降幅為24.78%，巷道卸壓爆破能夠有效降低巷道及工作面機(jī)頭機(jī)尾頂板壓力，卸壓效果較為明顯。

5）針對(duì)三次工作面頂板淋水情況，分析該時(shí)間內(nèi)工作面支架壓力變化規(guī)律及微震能量事件分布特征可以看出，淋水期間該位置附近頂板均處在周期來壓時(shí)期，支架安全閥頻繁開啟。同時(shí)在頂板上方25～31m位置發(fā)生104J大能量微震事件，工作面淋水主要為頂板上方關(guān)鍵層斷裂導(dǎo)通K8含水層所致，開采擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙帶高度并未達(dá)到K10含水層。