綜采放頂煤沿空留巷礦壓規(guī)律分析

李志偉

(山西蘭花集團(tuán)東峰煤礦有限公司,山西 晉城 048000)

1 工作面概況

東峰煤礦現(xiàn)開(kāi)采3#煤層,煤層平均厚度6 m,采用綜合放頂煤采煤法。2015年5月東峰煤礦3G02工作面正式回采,軌道順槽采用柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)。截至2017年4月,3G02工作面回采結(jié)束,3G02軌道順槽共留巷615 m。3G02工作面為晉城地區(qū)首個(gè)綜采放頂煤沿空留巷工作面,為深入研究沿空留巷變形規(guī)律,待3G02軌道順槽沿空留巷施工結(jié)束兩年后,2019年5月正式復(fù)用沿空留巷,3G02軌道順槽作為3G01工作面回風(fēng)順槽復(fù)用,沿空留巷平面示意圖如圖1所示。

圖1 沿空留巷平面示意圖Fig.1 Layout of gob-side entry retaining

2 礦壓測(cè)站布置

為加強(qiáng)沿空留巷礦壓觀測(cè),在3G01工作面回采期間,分別設(shè)置有頂板離層儀、頂?shù)装逦灰屏總鞲衅?、錨桿錨索測(cè)力計(jì)和墻體壓力枕等礦壓觀測(cè)設(shè)備[1]。

2.1 頂板離層傳感器

利用在線頂板離層監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。在回風(fēng)順槽750 m處為基點(diǎn)安裝第一臺(tái)頂板離層傳感器,之后沿回風(fēng)順槽每隔50 m安裝一臺(tái)頂板離層傳感器,安裝至100 m處,共14臺(tái)。安裝位置如表1所示。

表1 頂板離層傳感器安裝位置Table 1 Installation locations of roof separation sensors

2.2 頂板應(yīng)力傳感器

為觀測(cè)沿空留巷復(fù)用期間頂板壓力變化,每隔50 m布置一個(gè)頂板應(yīng)力傳感器,同時(shí),每隔30 m布置一組錨桿錨索測(cè)力計(jì),一組3個(gè),分別為煤幫側(cè)錨桿測(cè)力計(jì)、頂板錨桿測(cè)力計(jì)、頂板錨索測(cè)力計(jì)。

2.3 頂?shù)装逦灰屏勘O(jiān)測(cè)點(diǎn)

3G01回風(fēng)順槽每隔50 m布置一組頂?shù)装逦灰屏坑^測(cè)站,750 m處為第一組,之后沿回風(fēng)順槽每隔50 m安裝一臺(tái)頂?shù)装逦灰屏總鞲衅?安裝至100 m處,共14組。

3 巷道變形規(guī)律分析

3.1 巷道變形情況

2019年5月3G01工作面正式進(jìn)行回采,5月28日3G01回風(fēng)順槽推進(jìn)至留巷段,標(biāo)志著沿空留巷二次回采工作的正式開(kāi)展。截止2020年3月底3G01回風(fēng)順槽沿空留巷段回采結(jié)束,回采過(guò)程中沿空留巷出現(xiàn)頂板下沉、底臌、幫臌等不同程度的變形,如圖2所示。

(a)幫臌

(b)底臌

3.2 頂?shù)装遄冃我?guī)律

圖3、圖4、圖5分別為位于回風(fēng)順槽沿空留巷650,600,550 m三處測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装逦灰屏壳€。

如圖3所示,650 m處測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏砍跏贾禐?.61 m,距煤壁20 m之外時(shí),頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)變化;距煤壁20～5 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏繙p小,由2.61 m減少至2.50 m,變形量為11 cm;距煤壁5～0 m時(shí),位移量出現(xiàn)急劇變化,減小至2.4 m。

圖3 沿空留巷650 m頂?shù)装逦灰屏壳€Fig.3 Roof-Floor displacement curve at 650 meters

如圖4所示,600 m處測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏砍跏贾?.60 m,距煤壁20 m之外時(shí),頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)變化;距煤壁20～5 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏繙p小,由2.60 m減少至2.38 m,變形量為22 cm;距煤壁5～0 m時(shí),位移量出現(xiàn)急劇變化,減小至2.1 m,變形量為28 cm。

如圖5所示,550 m測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏砍跏贾?.78 m,距煤壁20 m之外時(shí),頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)變化;距煤壁20～5 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏炕旧铣示€性減小,由2.78 m減少至2.50 m,變形量為28 cm;距煤壁5～0 m時(shí),位移量出現(xiàn)急劇變化,減小至2.35 m,變形量為15 cm。

圖4 沿空留巷600 m頂?shù)装逦灰屏壳€Fig.4 Roof-Floor displacement curve at 600 meters

圖5 沿空留巷550 m頂?shù)装逦灰屏壳€Fig.5 Roof-Floor displacement curve at 550 meters

圖6、圖7、圖8分別為位于回風(fēng)順槽沿空留巷450,400,350 m三處測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装逦灰屏壳€圖。

如圖6所示,450 m處測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏砍跏贾禐?.7 m,距煤壁50 m之外時(shí),頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)變化;距煤壁50 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏渴状纬霈F(xiàn)減小,變形量為5 cm;在距煤壁35 m、18 m、5 m時(shí),位移量多次出現(xiàn)減小,最終減小至1.9 m,總變形量0.8 m。

圖6 沿空留巷450 m頂?shù)装逦灰屏壳€Fig.6 Roof-Floor displacement curve at 450 meters

如圖7所示,400 m處測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏砍跏贾?.75 m,距煤壁48 m之外時(shí),頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)變化;隨后在距煤壁48 m、35 m、30 m時(shí),出現(xiàn)位移量減小的現(xiàn)象;距煤壁30～15 m之間,頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)明顯變化;距煤壁15～0 m時(shí),位移量急劇減小,變形量為15 cm,總變形量為40 cm。

如圖8所示,350 m測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏砍跏贾?.74 m,距煤壁50 m之外時(shí),頂?shù)装逦灰屏繜o(wú)變化;距煤壁50～22 m之間時(shí),頂?shù)装逦灰屏坑猩僭S變化;距煤壁20 m、15 m、3 m時(shí),均出現(xiàn)頂?shù)装逦灰屏繙p小的現(xiàn)象,總變形量為74 cm。

圖7 沿空留巷400 m頂?shù)装逦灰屏壳€Fig.7 Roof-Floor displacement curve at 400 meters

圖8 沿空留巷350 m頂?shù)装逦灰屏壳€Fig.8 Roof-Floor displacement curve at 350 meters

由圖3、圖4、圖5可以看出,沿空留巷在推進(jìn)前200 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏孔冃沃饕憩F(xiàn)在超前20 m范圍之內(nèi),超前20～5 m范圍頂?shù)装遄冃瘟砍霈F(xiàn)不同程度的減小,變形量在10～30 cm之間,且隨推進(jìn)長(zhǎng)度的增加,變形量增加；超前5～0 m范圍為壓力較大區(qū)域,隨推進(jìn)頂?shù)装遄冃瘟考眲p小,變化量在12～30 cm之間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)其他測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知,變形量規(guī)律均與圖4—圖6相似,總變形量在10～50 cm之間,平均變形量為18 cm。

由圖6、圖7、圖8可以看出,沿空留巷在推進(jìn)300～450 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏孔冃畏秶^推進(jìn)前200 m時(shí)明顯增加,主要表現(xiàn)在超前50 m范圍之內(nèi),隨工作面推進(jìn),會(huì)出現(xiàn)3～4個(gè)變化節(jié)點(diǎn),距煤壁30～0 m時(shí),頂?shù)装逦灰屏孔兓^大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)其他測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知,沿空留巷在推進(jìn)200～500 m之間時(shí),變形量規(guī)律均與圖6—圖8相似,總變形量在40～90 cm之間,平均變形量為50 cm,較沿空留巷推進(jìn)前200 m明顯增加[2-4]。

4 巷道錨桿(索)壓力分析

圖9、圖10、圖11分別為位于回風(fēng)順槽沿空留巷700,640,580 m三處測(cè)點(diǎn)的錨桿錨索壓力曲線圖。

圖9 沿空留巷700 m錨桿錨索壓力曲線Fig.9 Pressure curves of anchor and rod at 700 meters

圖10 沿空留巷640 m錨桿錨索壓力曲線Fig.10 Pressure curves of anchor and rod at 640 meters

如圖9—圖11所示,700 m處幫錨桿和頂板錨索壓力在距煤壁17 m處和9 m處分別增大，幫錨桿壓力增大10 MPa,頂錨索壓力增大16 MPa,頂錨桿壓力無(wú)變化;640 m處幫錨桿壓力在距煤壁21～0 m范圍時(shí)逐漸增大,變化值為18 MPa,頂板錨桿和錨索壓力基本無(wú)變化;580 m處與640 m處相似,幫錨桿壓力在20～0 m范圍內(nèi)共增加17 MPa,頂板錨桿錨索壓力基本無(wú)變化。

圖11 沿空留巷580 m錨桿錨索壓力曲線Fig.11 Pressure curves of anchor and rod at 580 meters

圖12、圖13、圖14分別為位于回風(fēng)順槽沿空留巷450,420,360 m三處測(cè)點(diǎn)的錨桿錨索壓力曲線圖。

如圖12—圖14所示,450 m處幫錨桿壓力在距煤壁33 m、21 m、18 m時(shí)存在三個(gè)增大的節(jié)點(diǎn),共增加24 MPa,頂錨索壓力在距煤壁21 m時(shí)增加20 MPa,隨后維持不變,頂錨桿壓力無(wú)變化;420 m處幫錨桿壓力在距煤壁39 m、18 m、9 m時(shí)存在三個(gè)增大的節(jié)點(diǎn),共增加23 MPa,頂板錨索在距煤壁14 m時(shí)緩慢增大,共增加5 MPa,頂錨桿無(wú)明顯變化;360 m處幫錨桿壓力在距煤壁52 m時(shí)開(kāi)始增加,距46～0 m范圍時(shí)增加速度減緩,共增加19 MPa,頂板錨索壓力在距煤壁27 m時(shí)開(kāi)始增加,共增加10 MPa,頂板錨桿壓力無(wú)明顯變化。

圖12 沿空留巷450 m錨桿錨索壓力曲線Fig.12 Pressure curves of anchor and rod at 450 meters

圖13 沿空留巷420 m錨桿錨索壓力曲線Fig.13 Pressure curves of anchor and rod at 420 meters

圖14 沿空留巷360 m錨桿錨索壓力曲線Fig.14 Pressure curves of anchor and rod at 360 meters

由圖9、圖10、圖11可以看出,沿空留巷在推進(jìn)前200 m時(shí),錨桿錨索壓力變化主要在距煤壁20～0 m范圍內(nèi),且壓力主要表現(xiàn)為幫錨桿壓力增加,局部測(cè)點(diǎn)頂板錨索壓力增加,頂板錨桿壓力基本無(wú)變化。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)其他測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知,沿空留巷推進(jìn)前200 m時(shí)礦壓主要變現(xiàn)為幫錨桿壓力增加,局部頂板壓力增加,主要為直接頂和老頂壓力。

由圖12、圖13、圖14可以看出,沿空留巷在推進(jìn)300～450 m時(shí),錨桿錨索壓力變化范圍增大,在距煤壁40 m左右時(shí),幫錨桿壓力和頂板錨索壓力均呈不同程度的增加,表明壓力影響范圍增大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂?shù)装逦灰屏勘O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,頂板壓力增加不明顯,底板壓力明顯增加,且底臌量較推進(jìn)前200 m時(shí)明顯增加[5]。

5 礦壓規(guī)律分析

沿空留巷回采期間,頂板離層儀均未發(fā)生明顯離層,結(jié)合頂?shù)装逦灰屏扛鳒y(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知,頂?shù)装逦灰谱兓饕缘纂麨橹?局部靠墻體側(cè)有頂板下沉的現(xiàn)象,下沉量在0～10 cm之間。在推進(jìn)前200 m時(shí),底臌量較小,平均底臌量不足20 cm,且距煤壁20 m左右時(shí)方才顯現(xiàn)；在推進(jìn)300～450 m時(shí),礦壓顯現(xiàn)最為明顯,底臌量較大,平均底臌量在50 cm左右。根據(jù)錨桿錨索壓力各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)亦可驗(yàn)證上述猜想,推進(jìn)過(guò)程中幫錨桿壓力先增加,與現(xiàn)場(chǎng)超前范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的幫臌現(xiàn)象相對(duì)應(yīng),且在推進(jìn)300～450 m段時(shí),幫錨桿壓力和頂錨索壓力在距煤壁40 m左右時(shí)開(kāi)始增加,較推進(jìn)前200 m時(shí)壓力影響區(qū)域增大。因此，沿空留巷回采時(shí)需加強(qiáng)幫錨桿防護(hù)措施。

6 結(jié)論

1)沿空留巷回采時(shí)巷道變形以頂?shù)装逡平繛橹?其中頂板臌起為主要變形,兩幫變形以煤幫上側(cè)臌出為主。

2)沿空留巷推進(jìn)前200 m時(shí),巷道壓力區(qū)域主要變現(xiàn)在距煤壁超前支護(hù)20 m范圍內(nèi),推進(jìn)300～450 m段時(shí),礦壓顯現(xiàn)最為明顯,巷道壓力區(qū)域主要表現(xiàn)在距煤壁50 m范圍內(nèi)。

3)沿空留巷推進(jìn)過(guò)程中,煤幫側(cè)壓力首先增加,頂板壓力主要表現(xiàn)在直接頂和老頂傳遞的壓力。

4)通過(guò)沿空留巷礦壓分析,回采推進(jìn)時(shí)必須采取防止幫錨桿托板彈射的有效措施，且防護(hù)范圍需在距煤壁40 m范圍內(nèi)。