大埋深、高地應(yīng)力條件下回采工作面兩巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

朱貴禎

（冀中能源張礦集團宣東礦，河北 張家口 075000）

張家口宣東礦位于河北省張家口市宣化區(qū)東南，礦井開采深度800m以上，為高瓦斯突出礦井，井田煤系地層為侏羅系中統(tǒng)下花園組，巖性主要由泥巖、粉砂巖加少量炭質(zhì)泥巖組成，圍巖條件較差。隨著采掘工程的進行,回采巷道由于支護參數(shù)不合理造成巷道短時間破壞、變形，每月整修、極大浪費了人力、財力和物力，同時也造成了冒頂隱患。為研究回采工作面采動對兩巷礦壓顯現(xiàn)情況,判別回采期間巷道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，驗證巷道錨桿的支護參數(shù)設(shè)定是否合理，決定在Ⅲ3306回采工作面進行礦壓監(jiān)測、研究。

1 工作面概況

宣東礦井田為一NE走向、SE傾向的單斜構(gòu)造，地層平緩，傾角5°～15°，井田內(nèi)構(gòu)造較簡單，落差在30m以上的斷層僅有一條(F2)，且為井田邊界，落差小于5m的小斷層較為發(fā)育。共有5層可采煤層，其中較穩(wěn)定可采的煤層為侏羅系下統(tǒng)下花園組Ⅲ3、Ⅴ2煤層，分2個開采水平，正在開采-230水平Ⅲ3煤層，井田內(nèi)巖漿巖侵入比較廣泛，主要位于9勘探線以東煤系地層中厚度約240m的輝綠巖巖床和9勘探線以西的輝綠巖巖脈，位于Ⅲ3煤層頂30.38～102.72m，平均距Ⅲ3煤層54.72m。礦井最大水平主應(yīng)力64.93～73.61MPa，側(cè)壓系數(shù)在2.62～3.49，該礦水平構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位，最大剪應(yīng)力較大（20.07～24.81MPa），屬于高地應(yīng)力礦井。Ⅲ3306回采工作面屬于Ⅲ3煤層三采區(qū)工作面，埋深800m，平均煤厚2.4m，傾角5°，煤層堅固系數(shù)0.52。直接頂厚2.05m，硬度4.73，基本頂厚9.3m，直接底和基本底厚10.12m，硬度4.34，均為粉細砂巖互層。工作面走向長570m，傾斜長160m，采用單一走向長壁一次采全高綜合機械化采煤法，采空區(qū)頂板處理采用全部垮落法。

2 礦壓監(jiān)測設(shè)計

2.1 工作面礦壓監(jiān)測方法選擇

目前礦山壓力研究常用的方法有三種[1-2]：數(shù)學力學分析方法、模擬試驗方法、現(xiàn)場監(jiān)測方法，本礦選擇現(xiàn)場監(jiān)測方法?，F(xiàn)場監(jiān)測方法是根據(jù)地下開采活動引起的礦山壓力顯現(xiàn)的特征，直接在現(xiàn)場進行觀測和記錄，利用各種儀器儀表量測支架載荷、巖體變形位移、巖體內(nèi)應(yīng)力、巖體力學特性等數(shù)值大小，從而可以分析得到地質(zhì)、生產(chǎn)技術(shù)因素與礦山壓力顯現(xiàn)的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系，用以解決實際生產(chǎn)技術(shù)問題，同時，在匯總大量觀測數(shù)據(jù)與調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，將能總結(jié)出礦山壓力的普遍規(guī)律，促進礦山壓力理論研究的發(fā)展[3-4]。

2.2 監(jiān)測方案設(shè)計

本研究項目采用中國礦業(yè)大學（北京）工程力學測試技術(shù)研究所最新研發(fā)的KJ624煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[5-6]，對306軌道順槽巷道圍巖變形、圍巖應(yīng)力及兩幫錨桿應(yīng)力進行在線監(jiān)測，對306回風斜巷部分巷道圍巖應(yīng)力進行在線監(jiān)測，對306工作面回采過程中所引起的礦壓顯現(xiàn)及變形規(guī)律，將現(xiàn)場監(jiān)測、實驗室模擬、數(shù)值分析與理論分析相結(jié)合，研究巷道圍巖活動規(guī)律，建立由監(jiān)測到預(yù)測的新方法，為支護設(shè)計、煤柱設(shè)計及優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容有：

（1）離層位移監(jiān)測。對實驗巷道的頂板、兩幫隨工作面回采而產(chǎn)生的變形及離層量進行實時監(jiān)測。

（2）錨桿拉力監(jiān)測。對實驗巷道的頂板、側(cè)幫錨桿隨工作面回采的拉力變化進行實時監(jiān)測。

（3）圍巖應(yīng)力監(jiān)測。對實驗巷道側(cè)幫的煤巖體隨工作面回采的應(yīng)力變化進行實時監(jiān)測。

為了研究306軌道順槽巷道在306工作面回采過程中的圍巖變形及礦壓變化規(guī)律，依據(jù)306軌道順槽設(shè)計方案示意圖及現(xiàn)場施工情況對礦壓監(jiān)測測點布設(shè)做如下設(shè)計（見圖1、2）。

圖1 306巷道礦壓監(jiān)測設(shè)計圖

（1）離層位移監(jiān)測布置

在306軌道順槽巷道右?guī)停后w一側(cè)）布設(shè)3個位移監(jiān)測儀，分別位于采位67m、140m和152m處。

在306軌道順槽巷道頂板布設(shè)4個位移監(jiān)測儀，分別位于采位67m、100m、117m和146m處。

在306軌道順槽巷道左幫（工作面一側(cè)）布設(shè)5個位移監(jiān)測儀，分別位于采位67m、100m、117m、140m和152m處。

（2）錨桿拉力監(jiān)測布置

在306軌道順槽巷道頂板布設(shè)6個礦用錨桿（索）應(yīng)力傳感器，分別位于采位55m、67m、100m、117m、146m和152m處。

在306軌道順槽巷道左幫布設(shè)6個GMY300礦用錨桿（索）應(yīng)力傳感器，分別位于采位55m、67m、100m、117m、146m和152m處。

（3）圍巖應(yīng)力監(jiān)測布置

在306軌道順槽巷道右?guī)停后w一側(cè)）布設(shè)2個GPD礦用壓力傳感器，分別位于采位55m和67m處。

在306軌道順槽巷道左幫（工作面一側(cè)）布設(shè)10個GPD礦用壓力傳感器，分別位于采位5m叉巷兩側(cè)、55m、67m、100m、117m、146m、152m、168m和178m處。

圖2 巷道斷面測點布設(shè)示意圖

3 礦壓監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

306采面試采結(jié)束后共推采7個月（見圖3），隨著采面推采在觀測地點實時監(jiān)測巷道離層、錨桿拉力及圍巖變化情況，一共9個監(jiān)測點，停采里程為76m，位于67m點和100m點中間，根據(jù)9個點觀測數(shù)據(jù)變化情況，選取以152m觀測點為例。

圖3 306回采工作面推采平面圖

3.1 離層位移監(jiān)測

觀測點距離工作面推采位置80m以上時，未受回采擾動影響；距離工作面距離小于50m，觀測點處頂板離層位移開始受到回采擾動的影響，距離回采工作面約43m時，幫離層位移迅速增加，且增加速率加大，該點處最大離層位移90.5mm，處于巖體安全變形范圍之內(nèi)，位移變化見圖4。

圖4 152m點離層位移變化圖

3.2 錨桿拉力監(jiān)測

觀測點頂板錨桿前期拉力值較小，在36kN左右穩(wěn)定，在監(jiān)測后期距離回采工作面約50m時，頂板錨桿拉力有較明顯的增加，距離回采工作面約43m時，頂板錨桿拉力迅速增加，且增加速率加大，分析認為此時該點處巖體應(yīng)力開始受到回采擾動的影響，且擾動影響逐漸明顯。該點處錨桿最大拉力約182kN，處于錨桿抗拉強度范圍之內(nèi)。拉力變化見圖5。

圖5 152m點錨桿拉力變化圖

3.3 圍巖應(yīng)力監(jiān)測

觀測點處巖體前期應(yīng)力值較小，在3MPa左右穩(wěn)定，在監(jiān)測后期距離回采工作面約50m時，巖體應(yīng)力有較明顯的增加，距離回采工作面約43m時，巖體應(yīng)力迅速增加，且應(yīng)力增加速率加大，分析認為此時該點處巖體應(yīng)力開始受到回采擾動的影響，且擾動影響逐漸明顯。該點處最大應(yīng)力約22.3MPa，處于巖體支護強度范圍之內(nèi)。應(yīng)力變化見圖6。

圖6 152m點圍巖應(yīng)力變化圖

4 結(jié)論

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：306軌道順槽巷道超前礦壓顯現(xiàn)距離約為43m，此距離可作為預(yù)警距離，根據(jù)43m范圍內(nèi)巷道所受的應(yīng)力、位移變化情況，應(yīng)有針對性采取提高支護強度措施，如加密臨時單體支護、施工補強錨索。