上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)研究

上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)研究

王成1，韓亞峰1，杜澤生2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

[摘要]為得到桃園煤礦上行卸壓開(kāi)采上覆巖層活動(dòng)規(guī)律以及巷道工程開(kāi)挖時(shí)機(jī)，采用長(zhǎng)度137m深孔位移監(jiān)測(cè)和受采動(dòng)巷道圍巖收斂監(jiān)測(cè)等多種手段相結(jié)合，長(zhǎng)期跟蹤覆巖活動(dòng)情況。結(jié)果表明：上覆巖層活動(dòng)具有階段性，第一階段為活動(dòng)劇烈期，以裂縫帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約90 d；第二階段為活動(dòng)緩和期，以彎曲下沉帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約75 d；之后為巖層活動(dòng)穩(wěn)定期；受采動(dòng)影響的巷道呈階段性滯后響應(yīng)特征；上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為采后165 d，巷道開(kāi)挖最佳時(shí)機(jī)為采后165～180d。

[關(guān)鍵詞]上覆巖層；巖層活動(dòng)；階段性；穩(wěn)定時(shí)間

[中圖分類號(hào)]TD322[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-05-27

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.018

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304065，51274088)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012-064)

[作者簡(jiǎn)介]王成(1984-)，男，安徽含山人，博士，副教授，現(xiàn)從事礦壓理論及其控制技術(shù)、深井煤與瓦斯共采方面的研究。

Monitoring of Periodical Movement Rule of Overlying Strata

WANG Cheng1, HAN Ya-feng1, DU Ze-sheng2

(1.Energy Science & Engineering School, Henan University of Science & Technology, Jiaozuo 454003, China;

2.Henan Provincial Coal Science Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to obtain overlying strata movement rule of up-mining for pressure relief and excavation opportunity, 137m deep bore-hole displacement monitoring and surrounding rock convergence monitoring of roadway were applied to long-timely tracing surrounding rock movement.Monitoring result showed that overlying strata movement took on periodical characteristic, the first stage was strong movement stage of rock within fissure zone which continued about 90 days, the second stage was movement remission stage of rock in bending and subsidence zone which continued about 75d, afterwards, rock movement started to be stable.Roadway influenced by mining activity responded subsequently with this periodical characteristic.Stability time of overlying strata was 165 days after mining and rational excavation time of roadway was 165-180 days after mining.

Keywords:overlying strata; rock strata movement; stage; stability time

[引用格式]王成，韓亞峰，杜澤生.上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：60-63.

煤層群的開(kāi)采順序是煤層群開(kāi)采中至關(guān)重要的問(wèn)題之一[1-5]，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)按照由上而下的開(kāi)采順序進(jìn)行，以避免開(kāi)采順序改變對(duì)上覆未被開(kāi)采煤層和井巷工程的大面積采動(dòng)破壞。但是，有時(shí)往往因?yàn)榈V井生產(chǎn)接替關(guān)系的需要，或者為了釋放應(yīng)力，開(kāi)采解放層，提高采出率，或者為了合理進(jìn)行煤質(zhì)搭配或其他原因[6-11]，在考慮開(kāi)采層位時(shí)，不應(yīng)拘泥于單一的下行開(kāi)采程序，而應(yīng)當(dāng)綜合考慮各影響因素，選擇上行順序開(kāi)采以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

以淮北礦業(yè)集團(tuán)桃園煤礦零采區(qū)為典型試驗(yàn)研究點(diǎn)，系統(tǒng)研究10煤開(kāi)采對(duì)7煤、8煤層開(kāi)采條件及巷道工程穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對(duì)于礦井開(kāi)拓布局、合理確定相關(guān)煤層的開(kāi)采順序、上部煤層巷道的準(zhǔn)備時(shí)機(jī)及預(yù)防開(kāi)采過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全隱患意義重大。

1工程地質(zhì)條件

桃園煤礦井田北以F1斷層為界，南以第10勘探線為界與祁南煤礦毗鄰，西界為10煤層露頭線，東界至32煤層-800m底板等高線的水平投影，井田南北走向長(zhǎng)約15km，東西傾向?qū)?.5～3.5km，井田面積約32km2。井田內(nèi)共含可采煤層9層，其中較穩(wěn)定煤層2層，分別為8煤和10煤；不穩(wěn)定煤層6層，分別為32，52，61，63，71，72煤層；極不穩(wěn)定煤層1層，為4煤層?？刹擅簩悠骄偤穸?1.84m，占煤層總厚的54%；較穩(wěn)定煤層平均總厚5.12m，占可采煤層厚度的43%。主采煤層分別為32，71，8，10煤層。

2005年由煤科總院重慶分院對(duì)桃園煤礦瓦斯等級(jí)進(jìn)行鑒定，最終確定8煤層為突出煤層，桃園煤礦升級(jí)為煤與瓦斯突出礦井。針對(duì)桃園煤礦10，71，8煤層群賦存條件，采用上行開(kāi)采以解決瓦斯問(wèn)題，保證礦井回采的安全。

2觀測(cè)儀器與測(cè)站布置

在科研鉆場(chǎng)布置2個(gè)長(zhǎng)距離鉆孔(1號(hào)和2號(hào))，為了保證鉆孔穿透8煤(8煤和10煤平均間距76m)，鉆孔長(zhǎng)度分別為143m和151m，采用直徑94mm地質(zhì)鉆施工，要求保持鉆孔角度，使鉆孔直度符合要求，不出現(xiàn)臺(tái)階，避免出現(xiàn)蛇形孔，鉆孔需用水沖洗干凈巖屑和巖石碎塊，以免巖屑堵塞探頭影響觀測(cè)。

為配合該項(xiàng)目的研究，桃園煤礦于5月28日將科研鉆場(chǎng)開(kāi)掘準(zhǔn)備妥當(dāng)，6月3日鉆機(jī)安裝到位，6月5日開(kāi)始三班循環(huán)開(kāi)鉆，6月8號(hào)2個(gè)深孔窺視儀鉆孔均施工完畢，如圖1所示，鉆孔角度分別45°和40°。

圖1　鉆孔布置示意

3上覆巖層穩(wěn)定時(shí)間及巷道開(kāi)挖時(shí)機(jī)

3.1　上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律分析

工作面停采后，為了深入了解采空區(qū)上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律，于7月6日在2號(hào)鉆孔(鉆孔角度40°)中安設(shè)長(zhǎng)度達(dá)137m的深孔位移計(jì)，由于深孔位移計(jì)安裝距離長(zhǎng)且位于巷道頂板，測(cè)點(diǎn)安裝極其困難，因此僅僅安裝了1個(gè)深基點(diǎn)，但長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤觀測(cè)可以動(dòng)態(tài)分析上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律。在實(shí)際鉆孔施工過(guò)程中，2號(hào)鉆孔穿透8煤，137m長(zhǎng)鉆孔的垂直高度為88m，而8煤與10煤平均間距76m，結(jié)合采場(chǎng)覆巖“三帶”范圍，確定深孔位移計(jì)的深基點(diǎn)位于8煤頂板中，且處于彎曲下沉帶內(nèi)。7月9日開(kāi)始觀測(cè)，至12月18日觀測(cè)結(jié)束，其累計(jì)絕對(duì)位移量和速度變化曲線如圖2所示。

圖2　上覆巖層活動(dòng)情況

分析圖2，可以得出如下規(guī)律：

(1)停采約165d時(shí)，深孔位移計(jì)位移監(jiān)測(cè)值基本穩(wěn)定，因此，確定1001回采工作面上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為165d。

(2)遠(yuǎn)距離深孔位移監(jiān)測(cè)值表現(xiàn)出先增大后減小，然后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。說(shuō)明停采后一段時(shí)間采空區(qū)頂板一直在做下沉運(yùn)動(dòng)，其根本原因：上覆巖層活動(dòng)是自下而上漸進(jìn)發(fā)展的，覆巖破壞范圍增大，離層層位不斷向上發(fā)展，導(dǎo)致在不同時(shí)期彎曲下沉帶和裂縫帶兩者下沉速度不一。起初裂縫帶下沉速度大于彎曲下沉帶的下沉速度，以裂縫帶內(nèi)的活動(dòng)為主；隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí)，裂縫帶及時(shí)響應(yīng)并減速下沉，當(dāng)下沉速度小于彎曲下沉帶下沉速度時(shí)，深孔位移監(jiān)測(cè)值達(dá)到峰值165mm(停采76d)，之后以彎曲下沉帶運(yùn)動(dòng)為主，兩者相對(duì)位移又開(kāi)始減小，下降至107mm，采空區(qū)不斷壓實(shí)，采后165d上覆巖層趨于穩(wěn)定。

(3)工作面停采90d為采空區(qū)上覆巖層的劇烈運(yùn)動(dòng)期，以裂縫帶內(nèi)的巖層活動(dòng)為主，最大位移速度達(dá)到55mm/d；停采75d位移速度為0，此后位移速度出現(xiàn)負(fù)值，裂縫帶活動(dòng)緩和，以彎曲下沉帶內(nèi)的巖層活動(dòng)為主(持續(xù)約75d)，隨著采空區(qū)進(jìn)一步壓實(shí)，停采165d位移速度在0～0.1mm/d波動(dòng)，處于穩(wěn)定階段。

3.2　巷道常規(guī)礦壓實(shí)測(cè)規(guī)律分析

工作面停采后，分別在鉆場(chǎng)前方、后方和鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)置了10個(gè)觀測(cè)站，分別為巷道表面收斂(3個(gè)斷面各1個(gè)測(cè)站)、錨桿受力(4個(gè)測(cè)站，共20個(gè)測(cè)點(diǎn))、多點(diǎn)位移(3個(gè)測(cè)站，共9個(gè)測(cè)點(diǎn))，如圖3所示。6月9日至12月18日開(kāi)展持續(xù)全方位實(shí)測(cè)研究，分析采動(dòng)影響下巷道的開(kāi)挖最佳時(shí)機(jī)。巷道礦壓測(cè)試地點(diǎn)雖然是10煤層巷道，但10煤層采動(dòng)巷道的穩(wěn)定性由1001工作面采動(dòng)和觀測(cè)巷道開(kāi)挖兩者共同決定，因此，通過(guò)10煤層采動(dòng)巷道穩(wěn)定時(shí)間可以確定上覆8煤層巷道開(kāi)挖時(shí)機(jī)上限，而最佳開(kāi)挖時(shí)機(jī)下限即是上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間。

圖3　巷道測(cè)站布置示意

3.2.1巷道圍巖位移規(guī)律3.2.1.1巷道圍巖變形規(guī)律

巷道圍巖用表面收斂?jī)x測(cè)量，精度較高，通過(guò)6個(gè)多月的礦壓觀測(cè)，得到桃園煤礦1001工作面鉆場(chǎng)附近3個(gè)巷道的斷面的收斂情況，如圖4所示，總結(jié)得出如下規(guī)律：

(1)工作面停采約180d，各測(cè)點(diǎn)的兩幫位移變化基本穩(wěn)定。

(2)各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致。KD2測(cè)點(diǎn)兩幫累計(jì)位移量最大，達(dá)37.11mm，其次為KD3測(cè)點(diǎn)和KD1測(cè)點(diǎn)，分別為28.25mm和16.4mm。

分析原因可知，KD2測(cè)點(diǎn)在鉆場(chǎng)內(nèi)，靠近鉆場(chǎng)和巷道形成的交叉區(qū)域(跨度大)，受1001工作面支承壓力的影響較強(qiáng)烈，導(dǎo)致其表面收斂量較大。而KD1測(cè)點(diǎn)所在位置，在工作面停采后，礦方反復(fù)施工加固，致使其巷道表面收斂量非常小。

(3)各測(cè)點(diǎn)的變化均表現(xiàn)出明顯的階段性。以KD2點(diǎn)為例，第1階段為采后90d，兩幫的變形量急劇增大，累計(jì)變形達(dá)到20mm，進(jìn)入第2次劇烈變化，強(qiáng)度較第1次小，持續(xù)時(shí)間約為90d，此階段累計(jì)變形為17mm，之后兩幫變形基本穩(wěn)定，KD1和KD3變化趨勢(shì)與KD2基本相同。

圖4　圍巖變形量

3.2.1.2巷道圍巖變形速度變化規(guī)律

分析巷道圍巖變形速度可得(見(jiàn)圖5)：

圖5　圍巖變形速度

(1)KD1，KD2，KD3測(cè)點(diǎn)的兩幫最大變形速度0.86mm/d，2.55mm/d和2.1mm/d，對(duì)應(yīng)的工作面停采時(shí)間分別為20d，38d和14d。

(2)圍巖變形速度均呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢(shì)。工作面停采180d，兩幫變形基本達(dá)到穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)位移速度均趨向于0。

(3)各測(cè)點(diǎn)的圍巖變形速度均呈現(xiàn)出明顯的階段性和周期性衰減的變化規(guī)律。

停采初期，采場(chǎng)上覆巖層處于劇烈移動(dòng)期，導(dǎo)致工作面支承壓力不斷變化調(diào)整，巷道受采動(dòng)影響的程度實(shí)時(shí)變化，巷道變形速度也動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其具體表現(xiàn)為震幅大，周期短；隨著停采時(shí)間的增加，采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)逐漸趨于緩和，巷道變形速度表現(xiàn)為震幅減小，周期明顯延長(zhǎng)，最終趨于穩(wěn)定。

3.2.2錨桿受力分析

6月9日在鉆場(chǎng)附近設(shè)置了4個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.5a，同一斷面的測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6　錨桿測(cè)力計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)力計(jì)觀測(cè)結(jié)果如圖7，得出如下規(guī)律：

圖7　部分錨桿測(cè)力計(jì)示數(shù)變化

(1)錨桿測(cè)力計(jì)讀數(shù)最終基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間約為180d。

(2)幫部錨桿受力普遍大于頂板錨桿受力，兩幫錨桿受力呈下大上小的趨勢(shì)。讀數(shù)最大的錨桿位于右?guī)拖聜?cè)，最小的是右?guī)蜕蟼?cè)(KD5和KD6測(cè)點(diǎn)左幫下測(cè)力計(jì)安裝有問(wèn)題，可不予考慮)，排序?yàn)椋河規(guī)拖?左幫下>左幫上>中頂>右?guī)蜕?。表明在支承壓力的作用下，巷道幫部的變形總體上較頂板變形大，而右?guī)蜕襄^桿受力最小，說(shuō)明半圓拱巷道幫上肩窩部位破壞嚴(yán)重，錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖松散破碎，整體移動(dòng)，錨桿張拉力較小。各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的讀數(shù)見(jiàn)表1。

表1　KD4～KD7測(cè)點(diǎn)的測(cè)力計(jì)讀數(shù)　MPa

(3)錨桿受力也呈現(xiàn)出明顯的階段性，與圍巖的變形量和變形速度呈現(xiàn)的階段性一致。KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)尤為明顯。分析可知，變化第1個(gè)階段為90d，錨桿受力變化較快，受力較大，此時(shí)KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別由0增大至5.7MPa和8.5MPa；第2階段，由于測(cè)力計(jì)與錨桿不良接觸，部分錨桿受力有所下降，KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別由5.7MPa和8.5MPa降至4.8MPa和6.7MPa，之后測(cè)力計(jì)讀數(shù)又逐漸增大，但增幅較第1階段明顯較弱，說(shuō)明采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)較前一階段有所緩和，此時(shí)KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別由4.8MPa和6.7MPa升至5.3MPa和8.1MPa；經(jīng)過(guò)約180d的變化，錨桿受力完全穩(wěn)定，KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別為5.3MPa和8.1MPa。

根據(jù)上覆巖層活動(dòng)及巷道礦壓顯現(xiàn)分析，兩者均表現(xiàn)出階段性的特征，二者緊密相關(guān)。上覆巖層活動(dòng)傳遞應(yīng)力進(jìn)而影響巷道，巷道圍巖變形和錨桿受力相應(yīng)地表現(xiàn)出階段性響應(yīng)特征(停采180d后穩(wěn)定)，具體表現(xiàn)為巷道表面開(kāi)裂形成裂縫、噴層部分脫落。但這種響應(yīng)具有一定的滯后性，滯后上覆巖層15d穩(wěn)定。

4結(jié)論

(1)上覆巖層活動(dòng)具有階段性，第1階段為活動(dòng)劇烈期，以裂縫帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約為90d；第2階段為活動(dòng)緩和期，以彎曲下沉帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約為75d；之后為巖層活動(dòng)穩(wěn)定期。

(2)受采動(dòng)影響的巷道呈階段性滯后響應(yīng)，滯后上覆巖層15d穩(wěn)定。

(3)桃園煤礦1001工作面上覆巖層穩(wěn)定時(shí)間為165d，巷道開(kāi)挖最佳時(shí)機(jī)為采后165～180d。

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編輯：林健]

湖南省首次找到儲(chǔ)量超300Mt的煤礦區(qū)

日前，從湖南省煤炭地質(zhì)勘查院獲悉，該院承擔(dān)的湖南省首個(gè)煤炭整裝勘查項(xiàng)目——攸縣黃蘭煤炭整裝勘查取得重大突破，共探獲煤炭資源儲(chǔ)量343Mt。專家表示，能發(fā)現(xiàn)資源量超億噸的煤礦區(qū)，不僅在湖南，就是在整個(gè)缺煤的南方省份都屬罕見(jiàn)。

湖南省煤炭地質(zhì)勘查院院長(zhǎng)何紅生表示，這是湖南省首次找到儲(chǔ)量超過(guò)300Mt的煤礦區(qū)，對(duì)煤炭資源緊缺的湖南省來(lái)說(shuō)意義重大。該項(xiàng)目探明的煤炭?jī)?chǔ)量，為附近正在建設(shè)、即將投產(chǎn)的大唐華銀攸縣煤電一體化項(xiàng)目提供了充足的煤炭資源。

摘自《煤炭信息》周刊 2015.1.22