唐山礦深部孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分及實(shí)測(cè)研究

鄭友剛

（開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000）

唐山礦1878年建井，至今已有135年開(kāi)采歷史，開(kāi)采過(guò)程中形成了大量的孤島工作面，因礦壓大、沖擊地壓威脅等原因，一些孤島煤柱難以開(kāi)采。T1391工作面為唐山礦業(yè)公司鐵一區(qū)及鐵二區(qū)之間保留的系統(tǒng)巷道煤柱，為大孤島工作面，其開(kāi)采深度－680～－780 m，西鄰T1392工作面采空區(qū)，南部至T1390底邊眼，東部至T2292、T2293、T2294工作面采空區(qū)，上方為T(mén)1351、T1352和T 1 353工作面采空區(qū)。深部孤島工作面開(kāi)采受大采深及高應(yīng)力場(chǎng)等的影響，是沖擊地壓容易發(fā)生的區(qū)段。

1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

在煤礦沖擊地壓防治中，危險(xiǎn)區(qū)域的劃分是前提，只有全面系統(tǒng)而準(zhǔn)確地確定危險(xiǎn)區(qū)域，才能成功地預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。通過(guò)類(lèi)似條件下沖擊地壓案例分析，結(jié)合T1391工作面構(gòu)造條件，研究孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分。

1.1 危險(xiǎn)區(qū)域類(lèi)型分析

通過(guò)沖擊地壓案例分析，結(jié)合唐山礦8＃、9＃合層煤層構(gòu)造條件、工作面巷道掘進(jìn)和工作面開(kāi)采順序及方式，根據(jù)不同條件下沖擊地壓發(fā)生的情況，主要分為以下3類(lèi)：

（1）邊界型。主要指人為采動(dòng)影響造成的沖擊地壓。影響指受巷道掘進(jìn)和已采工作面形成的采空區(qū)對(duì)生產(chǎn)工作面的礦壓影響。

（2）構(gòu)造型。主要集中在斷層、褶曲區(qū)域。在大斷層附近、斷層簡(jiǎn)滅處和經(jīng)過(guò)斷層的巷道掘進(jìn)和工作面開(kāi)采有可能出現(xiàn)的沖擊地壓。

（3）復(fù)合型。邊界型和邊界型疊加、構(gòu)造型與構(gòu)造型疊加、邊界型與構(gòu)造型疊加等情況，此類(lèi)型較之單一因素影響的動(dòng)壓危險(xiǎn)性要更為嚴(yán)重。

1.2 巷道掘進(jìn)期間危險(xiǎn)區(qū)域

本工作面巷道大部分已經(jīng)開(kāi)掘完畢，只有T1391小面風(fēng)道為在掘巷道，T1391小面風(fēng)道一側(cè)受到已采工作面影響，在掘進(jìn)期間存在較大沖擊地壓危險(xiǎn)性。T1391小面風(fēng)道掘進(jìn)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 T1 391小面風(fēng)道掘進(jìn)示意圖

T1391小面風(fēng)道掘進(jìn)處于T2294、T2293、T2292采空側(cè)壓中，巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)開(kāi)門(mén)、貫通等特殊區(qū)段，因此主要沖擊地壓影響因素為采空側(cè)壓、開(kāi)門(mén)和巷道貫通等影響。

圖1中Ⅰ～Ⅵ區(qū)域?yàn)樾∶骘L(fēng)道掘進(jìn)期間沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分。Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)域?yàn)椴煽諅?cè)壓影響的邊界型危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅲ區(qū)域?yàn)椴煽諅?cè)壓影響且需巷道開(kāi)門(mén)的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅵ區(qū)域?yàn)椴煽諅?cè)壓影響且需巷道貫通的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域。

其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ區(qū)域具有微小沖擊地壓危險(xiǎn)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ區(qū)域具有較大沖擊地壓危險(xiǎn)。

1.3 工作面推采期間危險(xiǎn)區(qū)域

T1391工作面正常推采期間，沖擊地壓影響因素主要為工作面煤層上方約40 m處的5＃煤層殘留煤柱、采空側(cè)壓、工作面水平方向密集巷道群、煤柱兩側(cè)應(yīng)力疊加相互影響、工作面見(jiàn)方、停采線支承壓力和斷層等。工作面推采期間危險(xiǎn)區(qū)域見(jiàn)圖2。

Ⅰ～Ⅷ區(qū)域?yàn)門(mén)1391工作面推采期間的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分。Ⅰ、Ⅳ區(qū)域?yàn)榍醒巯锏拦战呛拖锏廊函B加影響的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅱ區(qū)域?yàn)樯喜?＃煤層煤柱和T1391工作面見(jiàn)方疊加影響的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域，范圍為上部煤柱邊緣前后各40 m；Ⅲ區(qū)域?yàn)橄锏篮凸ぷ髅嬉?jiàn)方疊加影響的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅴ區(qū)域（包括Ⅴ1和Ⅴ2區(qū)域）為工作面支承壓力和煤柱應(yīng)力相互影響的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅵ區(qū)域?yàn)閱我粩鄬佑绊懙臉?gòu)造型危險(xiǎn)區(qū)域，范圍為斷層前后各30 m；Ⅶ區(qū)域?yàn)?5°巷道拐角和采空區(qū)應(yīng)力疊加影響的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅷ區(qū)域?yàn)橄锏拦战呛凸ぷ髅嫱２删€應(yīng)力疊加影響的復(fù)合型危險(xiǎn)區(qū)域，范圍為停采線到巷道拐彎后15 m。

圖2 工作面推采期間危險(xiǎn)區(qū)域

其中，Ⅵ區(qū)域具有微小沖擊地壓危險(xiǎn)；Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ區(qū)域具有較小沖擊地壓危險(xiǎn)；Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ區(qū)域具有較大沖擊地壓危險(xiǎn)。

2 工作面超前支承壓力觀測(cè)

2.1 超前支承壓力分布范圍觀測(cè)

采用煤層動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法，使用頂板動(dòng)態(tài)儀，研究確定采場(chǎng)周?chē)后w上支承壓力分布規(guī)律，確定工作面超前支承壓力影響范圍。

2.1.1 理論分析

根據(jù)遠(yuǎn)點(diǎn)捕捉的頂板下沉速度的變化，可獲得支承壓力的分布范圍和明顯影響范圍。從頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果可看出工作面超前支承壓力明顯影響區(qū)和影響范圍。頂板下沉速度與超前煤壁距離關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 頂板下沉速度與超前煤壁距離關(guān)系示意圖

頂板下沉速度較大的區(qū)域是超前支承壓力作用明顯影響區(qū)，在該區(qū)域受到超前支承壓力的影響較大，屬于應(yīng)力和能量集中的區(qū)域；頂板還在下沉，但速度相對(duì)已經(jīng)較小的區(qū)域和超前支承壓力作用明顯影響區(qū)統(tǒng)稱(chēng)超前支承壓力影響范圍；超過(guò)影響范圍的區(qū)域基本就不受超前支承壓力的影響。

2.1.2 監(jiān)測(cè)方法

在T1391大面刮板輸送機(jī)巷道布置頂板動(dòng)態(tài)儀，距工作面切眼150 m處布置第1臺(tái)頂板動(dòng)態(tài)儀，然后隔5 m、5 m、5 m、60 m各布置1臺(tái)，共5臺(tái)，進(jìn)行支承壓力分布的觀測(cè)，觀測(cè)頂?shù)装逑鲁亮?，每次觀測(cè)均記錄頂板動(dòng)態(tài)儀至煤壁的距離。離煤壁最近的頂板動(dòng)態(tài)儀距離煤壁尺寸為0時(shí)，將該動(dòng)態(tài)儀回撤，支設(shè)到巷道前方，與最前方動(dòng)態(tài)儀的距離為10.0 m，循環(huán)支設(shè)。

2.1.3 結(jié)果分析

表1為T(mén)1391大面刮板輸送機(jī)巷道頂板動(dòng)態(tài)儀監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可得出超前工作面的距離（S）與頂?shù)装逡平俣龋é）的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。從頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果及根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的圖5可看出，工作超前壓力隨工作面的距離增大，地板下沉速率逐漸減小，60 m之后頂板下沉速率小于0.2，充分證明礦壓影響區(qū)主要在工作面至前方60 m左右范圍內(nèi)。

表1 T1 391大面刮板輸送機(jī)巷道頂板動(dòng)態(tài)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 超前支承壓力峰值位置觀測(cè)

在超前煤柱內(nèi)布置多個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，對(duì)工作面的超前支承壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鉆孔應(yīng)力計(jì)采用主動(dòng)式在線數(shù)據(jù)采集鉆孔應(yīng)力計(jì)。

2.2.1 理論分析

根據(jù)頂板動(dòng)態(tài)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及圖5，已經(jīng)證明了超前支承壓力的分布規(guī)律，根據(jù)不同的條件，超前支承壓力的影響范圍、峰值位置和峰值大小會(huì)有所不同，但基本曲線形式都是一致的。

圖4 超前工作面距離與頂?shù)装逡平俣鹊年P(guān)系曲線

鉆孔應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)只是支承壓力變化的相對(duì)值，而不是絕對(duì)值，不能完全反映出煤體中實(shí)際支承壓力的大?。ㄍǔＧ闆r是所測(cè)壓力比實(shí)際壓力要?。梢苑从吵銎渥兓厔?shì)和應(yīng)力集中程度。通過(guò)工作面前方相對(duì)支承壓力的變化分析支承壓力的范圍，根據(jù)支承壓力與工作面的距離關(guān)系曲線，可判斷支承壓力的影響范圍和峰值區(qū)域，具體如圖5所示。

圖5 工作面超前支承壓力分布示意圖

2.2.2 監(jiān)測(cè)方法

在T1391大面刮板輸送機(jī)巷道離切眼250 m處開(kāi)始安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，共安裝4個(gè)。鉆孔距離底板1.2 m，孔深6.0 m，孔徑42.0 mm，孔距10 m，鉆孔斜向上0～3°，打孔時(shí)盡量保持鉆孔垂直煤幫，而且使孔壁光滑，打完后，吹出孔內(nèi)的煤灰，然后進(jìn)行安裝，鉆孔直徑不能太大，否則儀器的應(yīng)變頭不能與煤體充分接觸，影響觀測(cè)效果。

應(yīng)力計(jì)安裝好后，需對(duì)其施加初始?jí)毫Σ⒂涗泬毫Ρ碜x數(shù)，在隨后的開(kāi)采過(guò)程中，每2 h觀測(cè)一次。

2.2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表2為鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)量的數(shù)值，將測(cè)量結(jié)果繪制曲線可得圖6。測(cè)得的結(jié)果與理論分析結(jié)果（圖5）相吻合。

圖6 超前支承壓力鉆孔支承壓力隨工作面距離變化關(guān)系曲線

表2 T1 391大面刮板輸送機(jī)巷道鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)量的數(shù)值

由表2及圖6可知，工作面超前支承壓力影響范圍為超前60 m以?xún)?nèi)，峰值位置出現(xiàn)在23～26 m處。

3 圍巖變形破壞實(shí)測(cè)

根據(jù)圍巖變形的數(shù)據(jù)可知，巷道圍巖隨著工作面推進(jìn)變形逐漸增大，符合巷道變形規(guī)律。在T1391工作面推采的過(guò)程中，4條巷道的工作面前方30 m范圍內(nèi)的巷道變形較為嚴(yán)重，超前60 m范圍內(nèi)支護(hù)采用密集單體柱加強(qiáng)支護(hù)，仍出現(xiàn)了較大程度的變形。其中兩工作面之間的12 m煤柱兩側(cè)巷道變形比其他巷道大，生產(chǎn)的過(guò)程中進(jìn)行了多次翻修工作，說(shuō)明煤柱的泄壓效果較好。實(shí)際工作面巷道的變形測(cè)量數(shù)據(jù)與礦壓數(shù)據(jù)相吻合，充分證明了理論結(jié)果符合實(shí)際礦壓情況，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分比較準(zhǔn)確，有力地保證了工作面的安全生產(chǎn)。

4 小結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)T1391工作面進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域研究，最終劃分了工作面巷道掘進(jìn)期間和回采期間的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)等級(jí)。

（2）通過(guò)對(duì)T1391工作面的超前支承壓力進(jìn)行觀測(cè)，采用頂板動(dòng)態(tài)與鉆孔應(yīng)力變化方法得到超前支承壓力明顯范圍在超前60 m左右，峰值在煤壁前方23～25 m。

（3）通過(guò)對(duì)T1391工作面的圍巖變形進(jìn)行測(cè)量，基本符合常規(guī)巷道變形破壞規(guī)律，卸壓處理的12 m煤柱兩側(cè)巷道變形比其他巷道大。

［1］劉寶珠，馬亞杰，章之燕.特厚煤層放頂煤開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2011（4）

［2］劉寶珠，苑龍峰.高應(yīng)力厚煤層沿底掘進(jìn)冒頂事故成因及預(yù)防與處理技術(shù)研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2012（10）