古城煤礦N1305工作面沿空留巷變形規(guī)律研究

＊李永盛 高放 楊彬

（1.山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司古城煤礦 山西 046000 2.太原科技大學(xué) 山西 030024）

引言

沿空留巷作為一種無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)是在現(xiàn)有煤炭資源開展過(guò)程中提高開采效率和綜采率的一種先進(jìn)技術(shù)[1]。沿空留巷技術(shù)在無(wú)煤柱開采中具有極高的應(yīng)用價(jià)值，煤井回采率提高10%，巷道掘進(jìn)過(guò)程中巷道塌落維修費(fèi)用降低30%～40%[2]?，F(xiàn)有研究較多的是對(duì)充填體材料特性進(jìn)行分析，缺少布置充填體后巷道整體穩(wěn)定性參數(shù)及演變規(guī)律研究[3]。沿空留巷斷面變形率是衡量沿空留巷變形幅度及其是否破壞的重要指標(biāo)，并且是反映充填體強(qiáng)度的重要參數(shù)指標(biāo)[4]。

本研究提出了沿空留巷橫向變形與縱向變形的分析方法，目標(biāo)是探究沿空留巷圍巖活動(dòng)下斷面變形規(guī)律和相互作用機(jī)理，以及巷旁充填體在隨著煤層工作面前進(jìn)開采過(guò)程中的承載力變化情況。多角度評(píng)析沿空留巷效果，為N1305工作面沿空留巷設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1.沿空留巷技術(shù)參數(shù)

(1)N1305膠帶順槽地質(zhì)與生產(chǎn)技術(shù)條件

工作面地面位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣境內(nèi)。地表相對(duì)平坦，主要為耕地。N1305工作面為北一盤區(qū)備采工作面，西接N1303工作面（已回采），東接N1306工作面（設(shè)計(jì)工作面）。北面為實(shí)體煤，南面接?xùn)|翼輔運(yùn)大巷。地面標(biāo)高為+915～+936m。工作面底板最高點(diǎn)標(biāo)高+440.2m，最低點(diǎn)標(biāo)高為+358.7m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差為81.5m。煤層埋藏深度：503.8～ 581.4m。N1305工作面上方為耕地，回采3#煤層。

N1305工作面采用走向長(zhǎng)壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法[5]。N1305膠帶順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，采用矩形斷面。支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)形式。N1305工作面膠帶順槽為N1305工作面主運(yùn)輸巷，主要負(fù)責(zé)工作面的煤炭運(yùn)輸，全長(zhǎng)2329m，與N1306回風(fēng)順槽之間凈煤柱為50m。沿空留巷為矩形斷面，凈寬5200mm，凈高3600mm，凈斷面18.72m2；沿煤層頂板掘進(jìn)，在距切眼70m處落至底板掘進(jìn)。

(2)煤層及頂?shù)装迩闆r

本研究3#煤層頂、底板巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。隨著煤層開采，頂、底板巖石活動(dòng)情況為：最初階段，頂板以旋轉(zhuǎn)下沉為主，充填體的效用主要是平衡直接頂及懸臂巖層的重量；當(dāng)工作面繼續(xù)前移，直接頂及一定范圍內(nèi)的老頂開始垮塌并碎脹，冒落矸石與老頂間空隙減小，老頂巖梁“大結(jié)構(gòu)”逐漸形成，充填體形成支護(hù)；最后頂板巖層活動(dòng)進(jìn)入最后時(shí)段，受上位巖層分次垮塌與失穩(wěn)影響，充填支護(hù)結(jié)構(gòu)體的工作阻力會(huì)呈波動(dòng)性，并逐漸趨于穩(wěn)定。該過(guò)程中沿空留巷斷面載荷呈波動(dòng)性變化，造成較大的變形直至進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 煤層及頂?shù)装迩闆r

2.沿空留巷觀測(cè)實(shí)驗(yàn)方案

(1)觀測(cè)內(nèi)容及觀測(cè)方法

巷道表面位移的觀測(cè)采用單十字布線法，即在巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁坎贾没c(diǎn)，通過(guò)量測(cè)基點(diǎn)間的距離來(lái)確定巷道表面位移。巷道表面位移觀測(cè)布置如圖1所示。充填體承載采用鋼板加壓力計(jì)的方法觀測(cè)充填體承載情況，在充填體中部位置內(nèi)置雙層鋼板，鋼板間加裝最大量程為60MPa的壓力傳感器。

圖1 巷道表面位移觀測(cè)基點(diǎn)布置示意圖

通過(guò)該觀測(cè)可以得知巷道表面位移的各個(gè)細(xì)節(jié)，圖1中各線段代表的意義如下：AB—兩幫移近量；AO—煤幫內(nèi)移量；BO—充填體內(nèi)移量；CD—頂?shù)装逡平?；CO—頂板下沉量；DO—底板鼓起量。

(2)觀測(cè)站點(diǎn)位布置

本試驗(yàn)共布置4組礦壓觀測(cè)站，從N1305工作面推進(jìn)長(zhǎng)度40m開始布設(shè)。其測(cè)站布置如圖2所示。

圖2 四組測(cè)站點(diǎn)位布置示意圖

每個(gè)測(cè)站設(shè)置3組巷道表面位移測(cè)點(diǎn)和1組充填體承載測(cè)點(diǎn)。測(cè)站1的3組巷道表面位移測(cè)點(diǎn)分別布置在16#、17#、18#充填包處，即留巷里程37.2m、39.6m、42m斷面處。測(cè)站2的3組巷道表面位移測(cè)點(diǎn)分別布置在39#、40#、41#充填包上，即92.8m、95.2m、97.6m斷面處。測(cè)站3的3組巷道表面位移測(cè)點(diǎn)分別布置在58#、59#、60#充填包上，即138m，140.4m，142.8m斷面處，1組充填體承載測(cè)點(diǎn)布置在61#充填包，即144.4m斷面處。測(cè)站4的3組巷道表面位移測(cè)點(diǎn)分別布置在83#、84#、85#充填包上，即196.6m、199m、201.4m斷面處，1組充填體承載測(cè)點(diǎn)布置在86#充填包，即203m斷面處。

測(cè)站點(diǎn)的設(shè)置在充填體模板拆除后立即進(jìn)行，每天中午12時(shí)對(duì)測(cè)站點(diǎn)位十字布線測(cè)量的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和充填體內(nèi)壓力傳感器壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行1次采集記錄，數(shù)據(jù)采集持續(xù)到前進(jìn)的開采工作面距離測(cè)站4大于150m后停止采集。

3.沿空留巷表面變形結(jié)果分析

(1)巷道表面位移分析

通過(guò)對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)巷道變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到頂?shù)装遄畲笠平恳约皟蓭妥畲笠平?，并?duì)平均移近速率和斷面收縮率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，沿空留巷頂?shù)装遄畲笠平吭?39～202mm之間，平均移近量222mm，平均移近速率6.81mm/d；兩幫最大移近量在255～167mm之間，平均移近量212mm，平均移近速率6.44mm/d。巷道斷面收縮率在14.49%～11.78%之間，平均斷面收縮率13.38%。

為了得到所留巷道圍巖變形的總體規(guī)律，將每個(gè)測(cè)站點(diǎn)同一天的巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平繑?shù)據(jù)做加權(quán)平均處理，得到各個(gè)測(cè)站的巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平壳€；然后對(duì)所得到的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平糠謩e進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到其變化趨勢(shì)線；最后將4條頂?shù)装逡平壳€的趨勢(shì)線多項(xiàng)式求和，然后求平均值，得到所留巷道頂?shù)装逡平靠傮w變化曲線，并用類似方法得到所留巷道兩幫移近量總體變化曲線（因統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)測(cè)站一、二與測(cè)站三、四處巷道兩幫移近量相差較大，故分別繪制了曲線）。最終得到的沿空留巷圍巖變形總體曲線如圖3，并依此做出巷道圍巖變形速度總體曲線（見(jiàn)圖4）。

圖3 沿空留巷圍巖變形量與距工作面距離關(guān)系曲線

圖4 沿空留巷圍巖變形速度與距工作面距離關(guān)系曲線

在工作面后方15m范圍內(nèi)由于充填體采空區(qū)側(cè)支護(hù)的單體支柱沒(méi)有撤掉，所以頂?shù)装搴蛢蓭鸵平吭龇^小。巷道圍巖變形基本都是從工作面后方15.5m以上進(jìn)行觀測(cè)的，故15m以前的巷道圍巖變形不在曲線范圍內(nèi)。從圖3和圖4可以看出：①在工作面后方15～40m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形最劇烈，變形速度最快；②在工作面后方40～60m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形仍舊較劇烈，但變形速度逐漸放緩；③在工作面后方60～95m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形速度繼續(xù)放緩，并趨于穩(wěn)定；④在工作面后方95m以后，圍巖變形速度幾乎為0，圍巖活動(dòng)基本穩(wěn)定。

(2)巷道充填體承載分析

以觀測(cè)站4為例對(duì)充填體承載進(jìn)行了有效觀測(cè)。充填體承載曲線如圖5所示。

圖5 充填體承載壓力與工作面距離關(guān)系曲線圖

從圖5可以看出，在工作面后方9m左右處，充填體剛剛安設(shè)完畢，充填體承受的載荷為0；之后的7～8m范圍內(nèi)由于充填體采空區(qū)側(cè)支護(hù)的單體支柱沒(méi)有撤掉，充填體承受的載荷很??；當(dāng)充填體采空區(qū)側(cè)的支護(hù)設(shè)備撤掉以后，充填體載荷開始緩慢增加；工作面后方25～40m內(nèi)充填體載荷急劇增大，40m左右處達(dá)到峰值5.8MPa；在40～60m內(nèi)充填體載荷逐漸降低，60m以后充填體載荷穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定在約5.2MPa左右。

4.結(jié)論與討論

對(duì)沿空留巷圍巖活動(dòng)及充填體承載觀測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到沿空留巷圍巖活動(dòng)特點(diǎn)與充填體承載隨距工作面距離變化的規(guī)律：

各測(cè)點(diǎn)處的巷道頂?shù)装逡平吭?02～239mm，平均為222m，數(shù)值相差較小，巷道兩幫移近量在167～ 255mm，平均為212mm，整個(gè)巷道的頂?shù)装逡平亢拖锏纼蓭鸵平枯^為均衡。所留巷道圍巖表面變形較小，留巷效果比較理想。

在工作面后方15～95m范圍內(nèi)，沿空留巷圍巖變形由劇烈到平緩，充填體變形速度由快到慢；在工作面后方95m后圍巖活動(dòng)基本穩(wěn)定，充填體變形速度幾乎為0。

充填體距工作面10～40m左右載荷呈擬二次函數(shù)急劇增大；40～60m內(nèi)充填體載荷逐漸降低，60m以后充填體載荷趨向穩(wěn)定。

本研究可完善N1305工作面圍巖條件下沿空留巷斷面變形數(shù)據(jù)，為同類條件下留巷提供技術(shù)支撐，并且充填體承載壓力變形數(shù)據(jù)為充填材料選用提供承載數(shù)據(jù)參考。