基于礦壓監(jiān)測的淺埋臨空巷道煤柱穩(wěn)定性研究

王 剛

(山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041207)

近年來，我國礦山行業(yè)發(fā)展迅猛，但煤礦的開采仍舊不乏重大安全事故的發(fā)生，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的損害，由礦壓引起的事故發(fā)生率尤為突出，落后的礦壓監(jiān)測手段及數(shù)據(jù)上傳的滯后性都給煤礦帶來了巨大的隱患[1]；同時(shí)，煤炭資源的高效利用也備受關(guān)注，目前中國煤礦的整體平均回采率僅為發(fā)達(dá)國家的一半，傳統(tǒng)留設(shè)的厚煤柱造成了資源的極大浪費(fèi)，也不符合可持續(xù)發(fā)展的利益需求。采用先進(jìn)的礦壓系統(tǒng)不僅可以有效避免礦壓災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)對于煤柱寬度的合理留設(shè)也具有指導(dǎo)意義。

1 煤層概況及礦壓監(jiān)測設(shè)備

1.1 工作面概況

黑龍關(guān)11號煤層厚度6.76～7.95 m，平均7.45 m，含2～4層夾矸，頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖。目前正在回采的11602工作面南部11601采空區(qū)，北部為11603準(zhǔn)備工作面，11602工作面沿煤層底板掘進(jìn)，寬度為200 m，走向長度1 400 m，該工作面回風(fēng)巷道為寬×高=4 m×3 m的矩形，運(yùn)輸巷道為寬×高=5 m×3 m的矩形，護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度20 m，均采用錨網(wǎng)索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

1.2 礦壓監(jiān)測設(shè)備

黑龍關(guān)煤業(yè)井下采用的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)為KJ533型煤礦頂板動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于煤礦頂板運(yùn)動(dòng)各參數(shù)的計(jì)算機(jī)在線測量系統(tǒng)。

系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)、無線和有線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)融為一體。實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境條件下對煤礦頂板的自動(dòng)監(jiān)測和分析、預(yù)警。通過監(jiān)測系統(tǒng)及時(shí)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行自主化分析，自動(dòng)識別判定巷道圍巖安全性，支護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性，錨桿或支架的工作狀態(tài)等。其動(dòng)態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測示意如圖1所示。

整套系統(tǒng)監(jiān)測包括綜采支架工作阻力監(jiān)測，巷道頂板位移監(jiān)測、頂?shù)装逡平勘O(jiān)測、巷道錨桿(索)應(yīng)力監(jiān)測、巷道鉆孔應(yīng)力監(jiān)測。利用其安全可靠的長距離通信，時(shí)延短以及低功耗的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對礦壓的監(jiān)測與預(yù)警。

2 礦壓監(jiān)測方案的布置

2.1 礦壓監(jiān)測的目的

黑龍關(guān)煤業(yè)二水平11號煤層正處于初期回采階段，其首采工作面11601綜放工作面由于實(shí)際走向長度僅為820 m，且開采條件四周均為實(shí)體煤，其礦壓數(shù)據(jù)的分析對于下一個(gè)臨空的回采工作面的借鑒意義甚小，故該監(jiān)測方案布置具有以下目的。

1) 掌握11602工作面回采過程中的回采巷道礦壓分布特征及變化規(guī)律、巷道圍巖表面移近量，護(hù)巷煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力變化情況，為接下來回采的相鄰工作面間的煤柱合理留設(shè)寬度提供指導(dǎo)借鑒。

2) 了解巷道在采動(dòng)影響下的變形情況，根據(jù)礦壓數(shù)據(jù)的分析提前制定巷道的補(bǔ)強(qiáng)措施，保證巷道的正常使用[2]。同時(shí)為鄰近工作面巷道提供更為合理的支護(hù)優(yōu)化方案。

2.2 監(jiān)測方案

在11602工作面巷道共布置4個(gè)測站，1號測站在11602工作面運(yùn)輸巷道距開切眼270 m處，3號測站在11602工作面運(yùn)輸巷道距開切眼850 m處，4號測站在11602工作面運(yùn)輸巷道距開切眼1 430 m處，2號測站在11602工作面回風(fēng)巷道距11601工作面開切眼420 m位置處，開始每隔5 min向地面?zhèn)鬏斠淮伪O(jiān)測數(shù)據(jù)，圖2為測站的位置布置示意。

圖1 KJ533煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 礦壓監(jiān)測測站布置位置示意

每個(gè)礦壓監(jiān)測測站分別布置頂板錨索應(yīng)力計(jì)、頂板錨桿應(yīng)力計(jì)、頂板離層儀、煤柱幫錨桿應(yīng)力計(jì)、煤柱幫鉆孔應(yīng)力計(jì)各1個(gè)，測站布置設(shè)備如圖3所示。

圖3 礦壓觀測站設(shè)備布置示意

定期對4個(gè)測站中的頂板離層儀、圍巖應(yīng)力計(jì)和錨桿/索應(yīng)力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)、記錄和分析。從而確定11602工作面護(hù)巷煤柱寬度和支護(hù)方式的選擇是否合理，圍巖控制能否滿足工作面正常生產(chǎn)要求，為黑龍關(guān)煤業(yè)之后開展小煤柱護(hù)巷提供科學(xué)依據(jù)，提高煤炭采出率和經(jīng)濟(jì)效益。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 初期回采階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

工作面初采期間，構(gòu)造發(fā)育明顯，頂板多為黃泥矸土且極為破碎，工作面割煤引起后方頂板大量漏矸，嚴(yán)重影響割煤進(jìn)度；同時(shí)回傳數(shù)據(jù)中頂板離層儀、鉆孔應(yīng)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)幾乎無變化，錨索受力在超前工作面80 m處開始增加，初步判定11602綜放工作面的超前支承壓力的擾動(dòng)范圍為煤壁前方80 m處[3]。著眼于此情況，采用三維坑透技術(shù)對11602工作面進(jìn)行了坑透。

結(jié)果顯示，距切眼850 m范圍內(nèi)的煤層頂板多處出現(xiàn)異常，頂板完整性差，企業(yè)決定切眼850 m范圍內(nèi)不進(jìn)行放煤工作，1號測站位置恰好位于頂板異常區(qū)內(nèi)，故1號測站基本無效。

3.2 回采中期礦壓分析

工作面回采至距3號測站15 m時(shí)，拆除3號測站并對回傳數(shù)據(jù)整理分析，頂板離層量變化曲線、鉆孔應(yīng)力變化曲線、錨桿索應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

圖4監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工作面推進(jìn)至距3號測站100 m前，頂板離層量始終維持在1.5 cm隨著回采的推進(jìn)，頂板離層量呈持續(xù)上升趨勢，測站拆除前頂板離層量達(dá)到峰值40 cm。從巷幫鉆孔應(yīng)力上傳數(shù)據(jù)可知，工作面推進(jìn)距測站120 m前，巷道圍巖應(yīng)力基本未發(fā)生變化；隨著距測站的距離進(jìn)一步縮短，圍巖應(yīng)力減小，考慮是在地應(yīng)力持續(xù)作用下，巷幫煤體進(jìn)入塑性狀態(tài)；3號測站進(jìn)入工作面超前應(yīng)力影響區(qū)范圍內(nèi)，巷幫松散的煤體又在回采擾動(dòng)下重新壓實(shí)，應(yīng)力驟升，在到達(dá)3號測站前方15 m處達(dá)到峰值7.1 MPa，直至拆除測站前，下降至4.5 MPa，這說明工作面即將回采至測站處時(shí)，巷道煤柱幫3 m范圍內(nèi)煤體并未完全進(jìn)入塑性狀態(tài)。對比錨桿索間的應(yīng)力變化情況可知，在推進(jìn)至距測站125 m前，錨桿索受力基本未受影響；工作面推進(jìn)距測站90 m開始異動(dòng)，均在工作面距測站18 m左右達(dá)到應(yīng)力峰值。

上述3號測站實(shí)測數(shù)據(jù)表明，11602綜放工作面超前支承壓力影響范圍約90 m，其峰值位置一般在煤壁前方18 m處，且錨索、頂錨桿、幫錨桿在超前應(yīng)力峰值點(diǎn)處分別達(dá)到134 kN、97 kN、107 kN，支護(hù)體系足以承載工作面回采引起的應(yīng)力擾動(dòng)。

3.3 末采階段前礦壓分析

2號、4號測站距停采線約30 m，工作面即將進(jìn)入末采階段，當(dāng)班作業(yè)完成后拆除測站，并對兩個(gè)測站回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

對比圖5兩測站頂板離層情況發(fā)現(xiàn)，4號測站在150～100 m過程中累計(jì)離層13 cm，2號測站未發(fā)生明顯離層，認(rèn)為是11603工作面運(yùn)輸巷道的存在及本工作面回采擾動(dòng)的共同作用對測站圍巖產(chǎn)生了影響；當(dāng)工作面推進(jìn)至距測站25 m時(shí)，兩測站頂板離層量均驟升直至測站拆除，2號、4號頂板離層量分別為40 cm和50 cm，仍在可控安全范圍內(nèi)，因此留設(shè)20 m區(qū)段煤柱能夠保證兩側(cè)巷道的頂板穩(wěn)定[4]。

圖5 11602工作面距2號、4號測站不同距離時(shí)頂板離層量變化情況

分析圖6兩測站的圍巖應(yīng)力變化情況發(fā)現(xiàn)：在距兩測站150～100 m推進(jìn)過程中，4號測站巷幫圍巖在下個(gè)工作面已掘且處于穩(wěn)定階段的巷道和工作面的回采雙重影響下出現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)，2號測站無明顯變化。在推進(jìn)至距測站50 m時(shí)，受工作面超前支承壓力影響，圍巖應(yīng)力均上升，煤柱幫峰值均在7 MPa左右，可以看出留設(shè)20 m煤柱下的沿空巷道并未對煤柱幫圍巖造成大幅影響，且20 m煤柱能夠保證其在上區(qū)段工作面回采及沿空巷道的掘進(jìn)作用下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 11602工作面距2號、4號測站不同距離時(shí)圍巖應(yīng)力變化情況

從圖7錨桿索的受力情況分析，仍可以驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，即在回采工作面及沿空巷道的影響下[5]，4號測站的錨桿索應(yīng)力均出現(xiàn)30%左右的增幅，隨著掘進(jìn)擾動(dòng)穩(wěn)定錨桿索受力開始下降，2號測站不在沿空巷道擾動(dòng)范圍內(nèi)，故未出現(xiàn)明顯波動(dòng)；在距測站50 m時(shí)，回采擾動(dòng)顯著，應(yīng)力均大幅增加，兩測站錨桿索應(yīng)力峰值基本相同且在合理范圍內(nèi)，進(jìn)一步證實(shí)了20 m寬的區(qū)段煤柱足夠保證工作面的正常推進(jìn)，且煤柱寬度存在優(yōu)化空間[6]。

圖7 11602工作面距2號、4號測站不同距離時(shí)錨桿索應(yīng)力變化情況

4 結(jié) 語

1) 工作面回采過程中，11602工作面的超前支承壓力影響區(qū)范圍在80～90 m處，其峰值出現(xiàn)在煤壁前方15～20 m處，頂板離層量、圍巖應(yīng)力及錨桿索受力均在安全范圍內(nèi)，20 m寬的區(qū)段煤柱能夠保證工作面的正常推進(jìn)。

2) 錨桿索應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在整個(gè)回采階段，錨桿索受力良好，并不會(huì)在工作面超前支承壓力的影響下發(fā)生破斷屈服；巷幫鉆孔應(yīng)力計(jì)在拆除測站前仍有讀數(shù)，說明巷幫3 m范圍內(nèi)煤體未完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此，煤柱的寬度存在優(yōu)化空間，該礦壓規(guī)律可指導(dǎo)該礦的正常生產(chǎn)。