沿空留巷擋矸應(yīng)力演變及圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

王 壯,陳慶玉,陳慶釗,王在斌

(山東省邱集煤礦有限公司,山東 德州 251105)

沿空留巷技術(shù)是深部無(wú)煤柱開采的重要發(fā)展方向[1]。沿空留巷技術(shù)成功的應(yīng)用,不僅對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系及延長(zhǎng)礦井壽命具有現(xiàn)實(shí)意義,也是煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增產(chǎn)、增盈的主要途徑之一。近年來(lái),我國(guó)部分礦區(qū)采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究并取得了重要的理論研究成果[2-14]?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明,在煤層采出后,基本頂斷裂位置大多發(fā)生在擋矸支柱外側(cè)和實(shí)體煤上方,其中以實(shí)體煤上方居多。1101工作面采用預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù),在預(yù)留巷道一側(cè)形成貫穿的切縫面,使得堅(jiān)硬頂板斷裂位置發(fā)生在擋矸支柱外側(cè),減小基本頂懸臂梁長(zhǎng)度,提高巷道穩(wěn)定性,對(duì)擋矸支護(hù)方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

1101工作面屬邱集煤礦11#一采區(qū),工作面標(biāo)高-422 m～-338 m,位于11#集中軌道上山以西,北鄰西翼泄水巷保護(hù)煤柱,南至一采區(qū)膠帶巷,東鄰11#集中軌道上山保護(hù)煤柱,西側(cè)為1103工作面。1101工作面走向長(zhǎng)100 m,傾斜長(zhǎng)789 m。

根據(jù)巷道實(shí)際揭露情況分析,1101工作面范圍內(nèi)煤層賦存較穩(wěn)定,適合綜合機(jī)械化開采。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法,綜合機(jī)械化采煤,全部垮落法管理頂板,一次采全高,每循環(huán)推進(jìn)度為0.8 m。工作面共安裝ZY6800/14/28D型掩護(hù)式支架66架,最小控頂距4 160 mm,最大控頂距4 960 mm。

1101工作面軌道順槽采用矩形斷面,規(guī)格為凈寬×凈高=4.0 m×2.5 m,SJ=10.09 m2,荒寬×荒高=4.2 m×2.6 m,SH=11.01 m2,兩順槽均為進(jìn)風(fēng)巷。根據(jù)設(shè)計(jì),1101軌道順槽為預(yù)留巷道,為后期采煤工作面服務(wù),補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用普通錨索和單體液壓支柱支護(hù)。

1.2 煤層情況

該工作面煤層走向近東西,煤層傾角3°～8°,平均5°,煤厚1.8～2.4 m,平均煤厚2.1 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且賦存比較穩(wěn)定。煤為塊狀—粉末狀,以亮煤為主,含少量鏡煤、暗煤條帶及微量絲炭。

1.3 頂?shù)装鍡l件

煤層直接頂板為平均厚度2.01 m的五灰?guī)r,五灰以上是平均厚度1.14 m的泥巖以及平均厚度5.13 m的四灰?guī)r,四五灰?guī)r平均厚度7.69 m?；?guī)r頂板的抗壓強(qiáng)度為127 MPa,為極堅(jiān)固巖石,屬堅(jiān)硬頂板。直接底板主要為粉砂巖,其次為泥巖或粘土巖,局部有炭質(zhì)泥巖或黏土巖偽底,平均厚度為5.56 m。

2 擋矸壓力與巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)

邱集煤礦1101工作面為雙重灰?guī)r復(fù)合頂板,堅(jiān)硬不易垮落,采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行開采,既能提高煤炭回收率,巷道還可為下一個(gè)工作面服務(wù)。針對(duì)邱集煤礦1101工作面,采用GPD300礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器和YHJ65J激光測(cè)距儀來(lái)監(jiān)測(cè)采動(dòng)影響下巷道擋矸支護(hù)應(yīng)力及巷道變形規(guī)律。

2.1 擋矸壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

工作面支架拉架后即開始對(duì)所留巷道沿空側(cè)采空區(qū)頂板垮落過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)采空區(qū)矸石側(cè)向壓力。在軌道順槽的擋矸工字鋼中部,距離開切眼30 m、70 m各布置一個(gè)測(cè)站,每個(gè)測(cè)站安裝一個(gè)GPD300 礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器。

GPD300礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器(簡(jiǎn)稱擋矸傳感器)主要布置在采空區(qū)底擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)上,用于監(jiān)測(cè)冒落矸石在采動(dòng)影響條件下的應(yīng)力時(shí)空變化規(guī)律,以及隨工作面推進(jìn)速度和距離變化影響下的擋矸支護(hù)分布規(guī)律。其量程為0～20 kN,經(jīng)過(guò)改裝可安裝在擋矸工字鋼中部,監(jiān)測(cè)擋矸支護(hù)側(cè)向受力。擋矸傳感器是由傳感器壓頭和采集器表頭組成,二者之間通過(guò)傳輸電纜進(jìn)行連接,擋矸傳感器的壓頭位于采空區(qū)內(nèi)。

2.2 巷道形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1101工作面軌道順槽布置4個(gè)巷道變形測(cè)站,共計(jì)4臺(tái)激光測(cè)距儀。

在軌道順槽距離開切眼30 m、70 m各布置1臺(tái)YHJ65J激光測(cè)距儀,監(jiān)測(cè)擋矸支護(hù)兩幫的收斂量。在軌道順槽距離開切眼200 m和距離停采線200 m各布置一個(gè)測(cè)站,每個(gè)測(cè)站布置2臺(tái)YHJ65J激光測(cè)距儀,監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟?安裝位置詳情如表1所示。

表1 激光測(cè)距儀安裝詳情Table 1 Installation of laser rangefinders

3 結(jié)果與分析

3.1 留巷巷道擋矸壓力規(guī)律

36#擋矸壓力傳感器安裝在距離開切眼36.2 m位置,如圖1(a)所示。擋矸壓力傳感器在滯后工作面15 m位置處,擋矸壓力以每推進(jìn)1 m增長(zhǎng)0.17 kN的速度開始逐步上升;滯后工作面24～58 m范圍內(nèi)擋矸壓力變化逐步趨于平穩(wěn);滯后工作面58 m擋矸壓力傳感器又開始逐步上升,截止到工作面推進(jìn)至110 m(6月10日)儀器失效,擋矸壓力傳感器最大值為3.02 kN。擋矸壓力傳感器的直徑為210 mm,其最大應(yīng)力為87 kPa。

圖1 擋矸壓力傳感器變化曲線Fig.1 Variation of blocking gangue pressure sensors

37#擋矸壓力傳感器安裝在距離開切眼66.5 m位置,如圖1(b)所示。擋矸壓力傳感器在滯后工作面11～19 m范圍內(nèi)以每推進(jìn)1 m增長(zhǎng)0.06 kN的速度開始逐步上升;滯后工作面19～60 m范圍內(nèi)擋矸壓力變化逐步趨于平穩(wěn);滯后工作面52 m擋矸壓力傳感器又開始逐步上升,截止到工作面推進(jìn)至145.3 m(6月19日)儀器失效,擋矸壓力傳感器最大值為2.78 kN。

36#擋矸壓力傳感器與37#擋矸壓力傳感器對(duì)比分析如表2所示。擋矸壓力在滯后工作面平均14.5 m位置處開始增長(zhǎng),在滯后工作面21.5 m出現(xiàn)首次穩(wěn)定。滯后工作面55 m位置處出現(xiàn)第2次增長(zhǎng),監(jiān)測(cè)結(jié)果最大值為2.9 kN,擋矸壓力傳感器的直徑為210 mm,其最大應(yīng)力為83 kPa。

表2 兩擋矸壓力傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Monitoring results of twoblocking gangue pressure sensors

3.2 留巷巷道收斂變化規(guī)律

1101工作面推采過(guò)程中,共安裝4臺(tái)YHJ65J激光測(cè)距儀,其中101#、102#和104#激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)巷道兩幫收斂量,103#激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)巷道頂板表面下沉量,詳細(xì)信息如表3所示。激光測(cè)距儀安裝后,所監(jiān)測(cè)到最大巷道頂板下沉量為228 mm,101#、102#和104#檢測(cè)到巷道兩幫收斂量分別為44 mm、260 mm和121 mm。

表3 激光測(cè)距儀安裝位置詳情Table 3 Installation of laser rangefinders

101號(hào)激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)留巷兩幫收斂,其最大收斂量為44 mm。在安裝初期,距離推采工作面40 m時(shí),巷道兩幫收斂量有明顯的上升,第二階段為距離工作面90～130 m時(shí)兩幫收斂量有所增加；截止距離工作面180 m時(shí),巷道里程39.4 m處兩幫的移進(jìn)量為44 mm,如圖2所示。

圖2 101#激光測(cè)距儀隨推采變化曲線Fig.2 Convergencevariationwith mining by No. 101 laser rangefinder

102號(hào)激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)留巷兩幫收斂,其最大收斂量為260 mm。在安裝初期,距離推采工作面20 m時(shí),巷道兩幫收斂量有明顯的上升,收斂量為50 mm;第二階段為距離工作面75～110 m時(shí)兩幫收斂量有所增加,此階段增長(zhǎng)約80 mm；截止距離工作面300 m以外時(shí),巷道里程69.5 m處兩幫移進(jìn)量為260 mm,不再增加,如圖3所示。

圖3 102#激光測(cè)距儀隨推采變化曲線Fig.3 Convergencevariationwith mining by No. 102 laser rangefinder

103#激光測(cè)距儀位于巷道里程200 m位置,監(jiān)測(cè)留巷頂板下沉量。在安裝初期,距離推采工作面30 m時(shí),下沉量較大,為49 mm,此時(shí)處于留巷不穩(wěn)定階段,工作面后方矸石逐步冒落密實(shí)；約280 m后,頂板移進(jìn)量處于穩(wěn)定狀態(tài),最大下沉量為228 mm,如圖4所示。

圖4 103#和104#激光測(cè)距儀隨推采變化曲線Fig.4 Convergencevariationwith mining by No. 103 and No.104 laser rangefinder

104#激光測(cè)距儀,位于巷道里程200 m位置,監(jiān)測(cè)留巷巷道兩幫收斂量。安裝初期,隨著頂板矸石垮落,兩幫有移進(jìn)量明顯增加,約為46 mm;在361 m附近時(shí)巷道收斂量明顯增加,此時(shí)為工作面周壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)段,影響工作面后方約130 m,周壓顯現(xiàn)劇烈過(guò)后,兩幫收斂量平穩(wěn)增加并趨于穩(wěn)定,最大移進(jìn)量為121 mm。

綜上可得,巷道兩幫移進(jìn)量遠(yuǎn)小于巷道頂板下沉量,說(shuō)明巷道擋矸效果明顯,在留巷初期,巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài),收斂變形較大,約為進(jìn)尺20 m范圍內(nèi)收斂約50 mm左右。

4 結(jié)論

以邱集煤礦1101工作面為工程背景,分別采用GPD300 礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器和YHJ65J激光測(cè)距儀來(lái)監(jiān)測(cè)巷道擋矸壓力及巷道變形規(guī)律,研究結(jié)果如下。

1)采用GPD300礦用本安型充填體擋矸壓力傳感器對(duì)所留巷道碎石幫橫向壓力研究分析,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:擋矸壓力在滯后工作面平均13 m位置處開始增長(zhǎng),在滯后工作面21.5 m出現(xiàn)首次穩(wěn)定,滯后工作面55 m位置處出現(xiàn)第2次增長(zhǎng),兩臺(tái)監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)結(jié)果最大值為3.02 kN,約為87 kPa。

2)架后擋矸支護(hù)隨變形增加工字鋼變形彎曲嚴(yán)重,但沒(méi)有發(fā)生漏矸現(xiàn)象,工字鋼大部分被壓彎,在后續(xù)施工中,保持此間距不變,將工字鋼靠近切縫線一側(cè),可增大側(cè)向支護(hù)阻力,減少工字鋼因頂板下沉導(dǎo)致彎曲。

3)采用YHJ65J激光測(cè)距儀對(duì)留巷巷道收斂特性進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逡七M(jìn)量大于兩幫收斂量,說(shuō)明巷道擋矸效果明顯。在留巷初期,巷道處于不穩(wěn)定狀態(tài),收斂變形較大,所監(jiān)測(cè)到最大巷道頂板下沉量為228 mm,巷道兩幫收斂變形在滯后工作面130 m逐步趨于穩(wěn)定,兩幫最大收斂量為260 mm。