保德煤礦高應(yīng)力綜放面回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征研究

董俊亮

（神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315）

0 引 言

在工作面回采過程中，采動影響對工作面及回采巷道的穩(wěn)定性具有很大的影響，易造成工作面煤壁片幫、巷道頂板下沉及巷道底鼓等問題[1]。因此，我國學(xué)者針對采動影響條件下工作面礦壓相關(guān)問題進行了大量研究。

針對近距離采空區(qū)下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)問題，周波等以湘橋煤礦10號煤層為背景，采用UDEC數(shù)值軟件分析了近距離采空條件下，工作面的礦壓規(guī)律，研究結(jié)果為下煤層工作面超前位置礦壓管理提供了理論基礎(chǔ)[2]；為了解近距離煤層上行開采時的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，孫勝以錢家營礦為工程背景，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，得出了采動應(yīng)力的分布特點及影響范圍[3]；為研究千米深井礦壓顯現(xiàn)特征，劉強等構(gòu)建出了監(jiān)測-覆巖離層位移監(jiān)測體系，對現(xiàn)場煤巖體進行監(jiān)測，得出深部煤巖體因開采呈現(xiàn)出非線性特征[4]；為研究超長工作面的礦壓規(guī)律，王保強等通過理論計算、數(shù)值模擬等方法，得出基本頂?shù)钠茢嘁?guī)律及應(yīng)力峰值變化特點，對現(xiàn)場工作面回采提供了指導(dǎo)[5]；為分析高承壓水堅硬頂板工作面礦壓規(guī)律，武文清以九龍礦15449S工作面為研究對象，建立了礦壓顯現(xiàn)和水壓變化間的關(guān)系，為該類工作面頂板來壓預(yù)測和安全生產(chǎn)提供了經(jīng)驗[6]；為研究果空巷群工作面支護及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，張國恩等以烏蘭木倫煤礦12404-1工作面為對象，通過理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測，分析了過空巷時礦壓顯現(xiàn)特征，為現(xiàn)場支護及礦壓問題管理提出了有益建議[7]。朱威等針對厚煤層綜放采場提出頂板活動規(guī)律和支架適應(yīng)性相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為相似條件下煤炭開采提供了參考依據(jù)[8]；張鋒等對頂板堅硬的特厚煤層綜放工作面的放頂方法及關(guān)鍵參數(shù)進行了設(shè)計，得出了圍巖破壞的空間范圍[9]。

上述研究對綜放工作面礦壓顯現(xiàn)問題進行了研究和分析和總結(jié)，對了解工作面回采過程中的礦壓特征做出了貢獻。但是，針對高應(yīng)力綜放工作面回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征的研究較少，同時，受煤礦開采地質(zhì)條件因素影響，不同礦井或相同礦井不同區(qū)域間的礦壓顯現(xiàn)特征都存在著明顯的差異。因此，為了探究保德煤礦高應(yīng)力綜放工作面回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征，以保德煤礦當前正在回采81308綜放面為研究對象，對高應(yīng)力綜放工作面回采巷道的礦壓顯現(xiàn)特征進行研究，為工作面礦壓問題治理及回采巷道超前支護提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

保德煤礦81308工作面為綜放面，所采煤層為二疊紀煤層，平均厚度為6.4 m（4.5～7.9 m），煤層平均夾矸3層，單層夾矸最大厚度0.8 m。直接頂為泥巖、中粒砂巖，層厚為0～3.3 m，平均2 m；老頂為粗粒砂巖，層厚0.9～11.56 m，平均7 m；直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，層厚0.3～3.2 m，平均2.5 m。81308綜放工作面長度為240 m，采用“一面三巷”的巷道布置方式，東鄰81307工作面采空區(qū)，西為81309備采工作面，回采巷道凈寬5 m，凈高3.8 m。臨近采空區(qū)及巷道空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 81 308綜放工作面空間位置關(guān)系Fig.1 Spatial position relationship of 81308 fully mechanized caving face

1.2 81308工作面來壓特征分析

現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示，81308工作面初步來壓步距約為18 m，周期來壓步距約為8～11 m?；夭蛇^程中支架載荷為25.2～49.8 MPa，平均30.4 MPa。來壓時支架載荷為40～49.8 MPa，平均為42.6 MPa，具有來壓步距短、動載礦壓較強等特征。在臨近的81307工作面及本工作面回采過程中，出現(xiàn)了巷道局部底鼓、變形及工作面局部煤壁片幫等礦壓現(xiàn)象，如圖2所示。因此，由上述分析可知81308工作面屬于典型的高應(yīng)力綜放工作面。

圖2 工作面回采巷道底鼓區(qū)域現(xiàn)場情況Fig.2 Field situation of floor heave area of working face mining roadway

2 工作面回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

為了分析81308綜放面回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征，以實際地質(zhì)條件為依據(jù)，建立81308工作面及回采巷道數(shù)值模型。模型總長度為640 m，寬度為100 m，其中81307工作面采空區(qū)寬250 m，81308工作面長度為240 m，模型如圖3所示。

圖3 81 308工作面數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of 81308 working face

模型除頂部邊界外其余5個邊界均施加固定邊界條件。依據(jù)埋深及臨近巷道地應(yīng)力測試值結(jié)果，在模型頂部施加13 MPa均勻荷載來模擬上覆巖層壓力，并根據(jù)頂?shù)装鍖嶋H巖性及參數(shù)，為模型中的巖層賦予模型物理力學(xué)參數(shù)。待初始地應(yīng)力平衡后，進行巷道與工作面的開挖，其順序為回采巷道—支護—81307工作面—81308工作面。研究81308工作面回采對其回采巷道護巷煤柱、圍巖表面及內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況的影響，分析工作面回采巷道超前礦壓分布特征。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 回采巷道不同超前位置應(yīng)力特征分析

為分析回采巷道不同超前位置應(yīng)力特征，截取工作面前方5、10、15、20 m垂直應(yīng)力結(jié)果云圖，如圖4所示。

圖4 回采巷道不同超前位置垂直應(yīng)力云圖Fig.4 Vertical stress nephogram of different advance positions of mining roadway

由圖4可知，巷道頂?shù)装甯浇嬖诘蛻?yīng)力區(qū)域，大致呈拱形，并向采空區(qū)側(cè)傾斜?？拷?1307采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力水平普遍高于另一側(cè)，在采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)部存在明顯的高應(yīng)力區(qū)，隨著距工作面距離的增加，高應(yīng)力區(qū)域逐漸減小。此外，由煤柱內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)來看分布情況可知，煤柱內(nèi)部存在承載區(qū)域，未發(fā)生貫穿式塑性破壞，說明現(xiàn)有煤柱尺寸能夠較好的起到護巷作用。

為進一步分析回采巷道不同超前位置應(yīng)力特征，在巷道頂板提取了垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同超前位置回采巷道及煤柱垂直應(yīng)力Fig.5 Vertical stress of roadway and coal pillar in different advance positions

如圖5所示，由工作面前方5～20 m的過程中，回采巷道超前應(yīng)力水平呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，回采巷道上方的垂直應(yīng)力遠小于煤柱范圍內(nèi)的應(yīng)力。在回采巷道4個不同超前位置，工作面超前5 m處應(yīng)力最高，其中靠近81307采空區(qū)側(cè)最大應(yīng)力位于25 m煤柱內(nèi)部，其應(yīng)力值約為29.2 MPa，靠近81309工作面?zhèn)茸畲笾滴挥?2 m煤柱內(nèi)部，其應(yīng)力值約為16.4 MPa?？拷?1307工作面采空區(qū)側(cè)巷道及煤柱垂直應(yīng)力水平相對于81309工作面?zhèn)日w明顯偏高，說明采空區(qū)對巷道超前應(yīng)力分布特征存在較大影響。

2.2.2 采動影響范圍分析

為進一步分析工作面回采時巷道超前位置及工作面前方垂直應(yīng)力的分布情況，沿工作面推進方向提取了81308工作面中部位置處、81308一號進風(fēng)順槽及81308膠運順槽頂板的垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 沿工作面推進方向垂直應(yīng)力分布曲線Fig.6 Vertical stress distribution curve along advancing direction of working face

由圖6可知，隨著距工作面距離的不斷增加，垂直應(yīng)力整體呈現(xiàn)先增加后減低的趨勢。由于巷道圍巖發(fā)生破壞，因此，巷道所在區(qū)域的垂直應(yīng)力整體偏低，工作面前方煤體應(yīng)力水平普遍較高，且變化趨勢明顯。其中，81308一號進風(fēng)順槽垂直應(yīng)力峰值為18.90 MPa，位于工作面超前13.42 m處；81308膠運順槽垂直應(yīng)力峰值為15.56 MPa，位于工作面超前13.62 m處；工作面中部應(yīng)力峰值為29.99 MPa，位于工作面前方14.22 m處。工作面超前約31.6 m之外，垂直應(yīng)力幾乎不在變化，說明工作面前方的煤體幾乎未受工作面采動影響。因此，由上述模擬結(jié)果可知，工作面采動影響范圍大約位于超前31.6 m范圍內(nèi)。

3 回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征現(xiàn)場監(jiān)測

為進一步分析81308工作面回采巷道超前礦壓顯現(xiàn)特征，在81308一號進風(fēng)順槽與81308膠運順槽采用單體液壓支柱工作阻力檢測儀，對超前支護單體支柱壓力進行監(jiān)測，同時，利用十字布點法及表面位移計相結(jié)合的方法對巷道表面位移進行檢測。

3.1 回采巷道超前支承壓力監(jiān)測

由于81308一號進風(fēng)順槽使用單體液壓支柱進行超前支護，超前支護范圍為50 m，81308膠運順槽采用自移式超前組合支護裝置對進行超前支護，超前支護范圍為20 m。因此，為分析回采巷道超前支承壓力特征，對單體液壓支柱及自移式超前組合支護裝置的工作阻力監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。

圖7 81 308工作面回采巷道超前支承壓力監(jiān)測Fig.7 81308 working face roadway advanced support pressure monitoring

如圖7所示，81308一號進風(fēng)順槽單體液壓支柱的工作阻力在距工作面煤壁17 m和44 m處出現(xiàn)顯著變化，工作面采動影響產(chǎn)生的載荷在距工作面煤壁0～17 m處于較高水平，最大值位于工作面前方17 m，值約為37.3 MPa；在距工作面煤壁44 m之外壓力降低到一個相對較低水平。81308膠運順槽在距工作面16 m處，自移式超前組合支護裝置支護阻力最大，其最大值約為28.0 MPa，在距工作面16 m之后呈現(xiàn)降低趨勢。通過上述分析，可看出81308工作面回踩巷道超前支承壓力峰值大概位于超前16～18 m位置，實際生產(chǎn)中應(yīng)加強對該范圍內(nèi)巷道頂板的管理，以更好的確保工作面安全高效生產(chǎn)。

3.2 回采巷道表面位移監(jiān)測

為分析81308工作面生產(chǎn)過程中，回采巷道超前區(qū)域巷道變形特征，在81308一號進風(fēng)順槽及膠運順槽超前40 m處布置測站，進行巷道表面位移監(jiān)測，結(jié)果如圖8所示，其中81308膠運順槽由于自移式超前組合支護裝置的影響，該巷不便于對底鼓情況進行測量，因此未對其進行底鼓監(jiān)測。

圖8 81 308工作面回采巷道表面位移監(jiān)測Fig.8 81308 working face roadway surface displacement monitoring

如圖8所示，81308工作面兩回采巷道表面變形整體呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，變形量增速表現(xiàn)為“慢-快-慢”的形式，受采動影響顯著。監(jiān)測期間81308一號進風(fēng)順槽最大底鼓量為79.6 mm，頂板下沉量最大為89.0 mm，正幫最大變形量153.5 mm，副幫最大變形量178.6 mm；81308膠運順槽頂板下沉量最大為81.0 mm，正幫最大變形量125.8 mm，副幫最大變形量111.2 mm。由上述結(jié)果可知，相對于81308膠運順槽，靠近81307采空區(qū)側(cè)的81308一號進風(fēng)順槽的整體變形量較大。因此，在工作回采過程中應(yīng)著重加強該巷道的變形監(jiān)測和治理。

4 結(jié) 論

（1）現(xiàn)場監(jiān)測及模擬結(jié)果表明，保德煤礦高應(yīng)力綜放面回采巷道超前位置表現(xiàn)出了壓力峰值大，圍巖變形受采動影響顯著的特點。

（2）模擬結(jié)果顯示超前支承壓力峰值位于工作面前方13.42 m，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為工作面前方17 m，因此，回采巷道超前支承壓力峰值大概位于13.42～17.0 m，鄰近采空區(qū)側(cè)回采巷道超前區(qū)域受應(yīng)力水平及巷道圍巖變形程度均較高，在工作面回采過程中，應(yīng)加強對該回采巷道礦壓及圍巖變形監(jiān)測與治理。