綜采工作面回風(fēng)順槽切頂卸壓礦壓監(jiān)測(cè)分析

宋建軍

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽泉有限公司，山西 陽泉 045000；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006)

聚能爆破切頂卸壓是巷道支護(hù)技術(shù)的一項(xiàng)重大改革。該技術(shù)已在很多礦井應(yīng)用成功，具有減少巷道維修量、降低掘進(jìn)率及生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)，是未來礦井發(fā)展所需的一項(xiàng)重要技術(shù)[1-4]。本次進(jìn)行切頂卸壓實(shí)驗(yàn)后，對(duì)巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，對(duì)聚能爆破切頂卸壓的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 概況

9107工作面井下位于井田南部，北部為9108工作面，東部為采區(qū)回風(fēng)大巷，西部為礦界保護(hù)煤柱。地表地形屬丘陵階地，地面標(biāo)高1 271 m～1 290 m。井下工作面標(biāo)高為1 105 m～1 120 m之間，9107工作面煤層埋藏深度為166 m～170 m，該工作面煤層平均厚度3.4 m，煤層傾角平均6°。

9107工作面推進(jìn)長(zhǎng)360 m，工作面切眼傾斜長(zhǎng)152 m，回采面積54 720 m2，布置有進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、開切眼三條巷道。地面無公路、耕地、房屋等建構(gòu)筑物及其它設(shè)施。9107進(jìn)風(fēng)順槽斷面尺寸為寬4.5 m，高3.15 m，凈斷面積14.175 m2；9107回風(fēng)順槽斷面尺寸為寬4.5 m，高3.15 m，掘進(jìn)斷面積14.175 m2；兩順槽均采用W型鋼帶+金屬網(wǎng)+錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。

本煤礦工作面區(qū)段保護(hù)煤柱留設(shè)20 m以上，但順槽在遇到采動(dòng)影響時(shí)，鄰近工作面開采時(shí)側(cè)向支承壓力和現(xiàn)采工作面超前支承壓力在區(qū)段保護(hù)煤柱上方及其周圍出現(xiàn)疊加引起應(yīng)力集中，從而使得區(qū)段保護(hù)煤柱及其順槽巷發(fā)生變形、幫鼓、底鼓等現(xiàn)象，增加了巷道維護(hù)難度。為解決此類問題，在9107綜采工作面回風(fēng)順槽實(shí)施爆破切頂卸壓，以解決9107回風(fēng)順槽及相鄰9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽的動(dòng)壓影響。

通過切頂卸壓對(duì)工作面靠近護(hù)巷煤柱側(cè)頂板提前預(yù)裂，將懸臂梁切落，以減小懸臂梁上覆荷載及回轉(zhuǎn)變形力，從而切斷或大大減小巖梁傳遞到護(hù)巷煤柱和預(yù)留巷道內(nèi)的荷載，實(shí)驗(yàn)的效果通過對(duì)兩個(gè)順槽進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

本次礦壓監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括9107回風(fēng)順槽、9108進(jìn)風(fēng)順槽頂板離層、頂?shù)装逡平?、支護(hù)載荷觀測(cè)分析、兩順槽間煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況。

2 巷道礦壓監(jiān)測(cè)方案

9107回風(fēng)順槽和9108進(jìn)風(fēng)順槽長(zhǎng)度均為330 m，分別從巷道開口起，布置測(cè)站并編號(hào)。9107回風(fēng)順槽和9108進(jìn)風(fēng)順槽各布置3組錨桿(索)應(yīng)力測(cè)站，每組布置4套錨桿應(yīng)力計(jì)，頂板2套，兩幫各1套；2套錨索應(yīng)力計(jì)，以觀測(cè)錨桿、錨索受力狀態(tài)。

圖1為測(cè)站布置示意圖，9107回風(fēng)順槽200 m處和9108進(jìn)風(fēng)順槽300 m處各布置一組煤柱應(yīng)力計(jì)，孔深分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，以觀測(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況。

圖1 測(cè)站布置示意圖

觀測(cè)系統(tǒng)采用KJ504煤礦頂板在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽口布置1臺(tái)礦用分站，錨桿錨索支護(hù)載荷和煤柱內(nèi)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)共用1臺(tái)分站，每?jī)蓚€(gè)小時(shí)上傳一次數(shù)據(jù)，每周進(jìn)行一次數(shù)據(jù)拷貝。

3 礦壓數(shù)據(jù)分析

從圖2中可以看出，9107回風(fēng)順槽100 m處綜合測(cè)站內(nèi)，錨桿(索)應(yīng)力計(jì)安裝后的初始應(yīng)力值均變化不大。第一階段從2018年1月23日至6月23日，呈極緩慢上升態(tài)勢(shì)，測(cè)站內(nèi)煤柱幫幫錨桿應(yīng)力為17 kN～24 kN；靠煤柱幫頂錨桿應(yīng)力為11 kN～13 kN；靠煤柱幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到22 kN～28 kN；靠回采幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到17 kN～24 kN；靠回采幫頂錨桿應(yīng)力為7 N～10 N；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到5 kN～7 kN。第二階段自2018年6月24日開始至7月16日，當(dāng)工作面推進(jìn)至回風(fēng)順槽200 m時(shí)，測(cè)站斷面內(nèi)錨桿、錨索的應(yīng)力開始上升，至7月16日，工作面回采至回風(fēng)順槽145 m處時(shí)，煤柱側(cè)幫錨桿應(yīng)力達(dá)到43 kN；靠煤柱幫頂錨桿應(yīng)力達(dá)到20 kN；靠煤柱幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到39 kN；靠回采幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到31 kN；靠回采幫頂錨桿應(yīng)力達(dá)到20 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到9 kN。

圖2 9107工作面回風(fēng)順槽100 m處測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線

從圖3中可以看出，第一階段從2018年1月23日至6月15日，呈極緩慢上升態(tài)勢(shì)，測(cè)站內(nèi)煤柱幫幫錨桿應(yīng)力為20 kN～25 kN；靠煤柱幫頂錨桿應(yīng)力為4 kN～5 kN；靠煤柱幫頂錨索應(yīng)力為34 kN～38 kN；靠回采幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到19 kN左右；靠回采幫頂錨桿應(yīng)力為4 kN～8 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到2 kN～5 kN。第二階段自2018年6月16日開始至6月24日，當(dāng)工作面推進(jìn)至回風(fēng)順槽235 m時(shí)，測(cè)站斷面內(nèi)錨桿、錨索的應(yīng)力開始上升，至6月24日，煤柱側(cè)幫錨桿應(yīng)力達(dá)到42 kN；靠煤柱幫頂錨桿應(yīng)力達(dá)到4 kN；靠煤柱幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到42 kN；靠回采幫頂錨索應(yīng)力由18 kN降低至10 kN；靠回采幫頂錨桿應(yīng)力達(dá)到10 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到17 kN。

從圖4中可以看出，第一階段從2018年1月23日至4月10日，呈極緩慢上升態(tài)勢(shì)，測(cè)站內(nèi)煤柱幫幫錨桿應(yīng)力為12 kN～16 kN；靠煤柱幫頂錨桿應(yīng)力為12 kN～16 kN；靠煤柱幫頂錨索應(yīng)力為34 kN～38 kN；靠回采幫頂錨索應(yīng)力為31 kN～34 kN；靠回采幫頂錨桿應(yīng)力為9 kN～11 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到12 kN～16 kN。第二階段自2018年4月11日開始至5月24日，當(dāng)工作面推進(jìn)至回風(fēng)順槽285 m時(shí)，測(cè)站斷面內(nèi)錨桿、錨索的應(yīng)力開始上升，至5月24日，煤柱側(cè)幫錨桿應(yīng)力達(dá)到24 kN；靠煤柱幫頂錨桿應(yīng)力達(dá)到34 kN；靠煤柱幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到50 kN；靠回采幫頂錨索應(yīng)力達(dá)到50 kN；靠回采幫頂錨桿應(yīng)力達(dá)到11 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到16 kN。

圖3 9107工作面回風(fēng)順槽200 m處測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線

圖4 9107工作面回風(fēng)順槽300 m處測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線

從第123頁圖5中可以看出，從2018年1月23日至6月24日，呈極緩慢上升態(tài)勢(shì)，測(cè)站內(nèi)煤柱幫幫錨索應(yīng)力為8 kN～13 kN，近煤柱幫頂錨索應(yīng)力為9 kN～14 kN，遠(yuǎn)煤柱幫頂錨索應(yīng)力為48 kN～50 kN，遠(yuǎn)回采幫頂錨索應(yīng)力為12 kN～16 kN，近回采幫頂錨索應(yīng)力為11 kN～14 kN，回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到4 kN～9 kN。

從第123頁圖6中可以看出，從2018年1月23日至6月24日，呈極緩慢上升態(tài)勢(shì)，測(cè)站內(nèi)煤柱幫幫錨索從1月23日至6月8日應(yīng)力為76 kN～82 kN，但是6月9日9107工作面回采至回風(fēng)順槽250 m處時(shí)，應(yīng)力開始顯著增大，至6月24日達(dá)到108 kN；近煤柱幫頂錨索應(yīng)力為60 kN～67 kN；遠(yuǎn)煤柱幫頂錨索應(yīng)力為54 kN～60 kN；遠(yuǎn)回采幫頂錨索應(yīng)力為62 kN～70 kN；近回采幫頂錨索應(yīng)力為52 kN～61 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到7 kN～15 kN。

圖5 9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽100 m處測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線

圖6 9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽200 m處測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線

從圖7中可以看出，從2018年1月23日至6月24日，呈極緩慢上升態(tài)勢(shì)，測(cè)站內(nèi)煤柱幫幫錨索從1月23日至5月24日應(yīng)力為30 kN～43 kN，但是5月24日9107工作面回采至回風(fēng)順槽270 m處時(shí)，應(yīng)力開始顯著增大，至6月24日達(dá)到205 kN；近煤柱幫頂錨索應(yīng)力為31 kN～55 kN；遠(yuǎn)煤柱幫頂錨索應(yīng)力為45 kN～70 kN；遠(yuǎn)回采幫頂錨索應(yīng)力為44 kN～61 kN；近回采幫頂錨索應(yīng)力為55 kN～65 kN；回采幫錨桿應(yīng)力達(dá)到4 kN～74 kN。

從圖8中可以看出，從2018年1月23日至6月24日，測(cè)站區(qū)域煤柱內(nèi)2 m、4 m、8 m、10 m處煤柱應(yīng)力變化不大，數(shù)值增長(zhǎng)幅度在0.1 MPa～0.3 MPa左右；6 m處煤柱應(yīng)力在6月19日，9107工作面回采至回風(fēng)順槽225 m處，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)增長(zhǎng)，至6月24日，9107工作面回采至回風(fēng)順槽200 m處，達(dá)到9.3 MPa。

由圖9可知，從2018年1月23日至6月24日，測(cè)站區(qū)域煤柱內(nèi)2 m、6 m、8 m處煤柱應(yīng)力變化不大，數(shù)值增長(zhǎng)幅度在0.1 MPa～0.2 MPa左右；4 m處煤柱應(yīng)力在1月26日，9107工作面回采至回風(fēng)順槽300 m處，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)增長(zhǎng)，至6月8日，9107工作面回采至回風(fēng)順槽250 m處，達(dá)到1.3 MPa；至6月23日，9107工作面回采至回風(fēng)順槽200 m處，降低至1 MPa，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。10 m處煤柱應(yīng)力在4月10日，9107工作面回風(fēng)順槽285 m處，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)增長(zhǎng)，至5月30日，9107工作面回采回風(fēng)順槽265 m處，達(dá)到4.4 MPa；至6月8日，9107工作面回采回風(fēng)順槽255 m處，降低到2.5 MPa；至6月10日，9107工作面回風(fēng)順槽245 m處，又升高至7.1 MPa，至6月23日，應(yīng)力呈逐漸下降趨勢(shì)，降低至2.5 MPa。

圖7 9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽300 m處測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線

圖8 9107工作面回風(fēng)順槽200 m處煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

圖9 9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽300 m處煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

1) 根據(jù)錨桿(索)受力載荷變化情況可知，9107綜采工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間安裝錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力較小，受采動(dòng)影響超前回采工作面35 m即有明顯應(yīng)力增長(zhǎng)。

2) 因9107工作面采用了爆破切頂卸壓工藝，9108工作面進(jìn)風(fēng)順槽頂錨索、回幫錨桿受采動(dòng)影響后，錨索、錨桿的受力變化不大，頂錨索的受力增長(zhǎng)幅度較小，受動(dòng)壓影響不明顯；但煤柱幫的錨索受力變化比較明顯，在9108進(jìn)風(fēng)順槽200 m處，煤柱幫錨索受力最大達(dá)到250 kN，因此，煤柱幫受動(dòng)壓影響較明顯。

3) 9107、9108工作面之間留設(shè)有25 m的保安煤柱，從煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，煤柱內(nèi)受采動(dòng)影響應(yīng)力變化穩(wěn)定，煤柱內(nèi)9108進(jìn)風(fēng)順槽側(cè)內(nèi)10 m處左右為應(yīng)力最高區(qū)域，受采動(dòng)影響后最大值為7.1 MPa，最小值為2.5 MPa。

4) 采用爆破切頂卸壓工藝后，綜合分析9107回風(fēng)順槽、9108進(jìn)風(fēng)順槽錨桿錨索受力載荷和煤柱應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，建議在今后的工作面布置時(shí)，可將煤柱適當(dāng)縮小。