切頂卸壓巷道礦壓規(guī)律分析

孫濤勝

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 鐵峰煤業(yè)有限公司南陽(yáng)坡礦，山西 朔州 036000)

近年隨著煤炭開(kāi)采裝備技術(shù)日益提升，煤炭開(kāi)采強(qiáng)度越來(lái)越大，導(dǎo)致部分礦井生產(chǎn)接續(xù)日益緊張[1-2]。而且隨著工作面采高的不斷增加，回采巷道圍巖變形量越來(lái)越大。為了有效緩解生產(chǎn)接續(xù)，降低圍巖變形對(duì)安全生產(chǎn)的威脅，切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)被廣泛應(yīng)用，它不但可以有效解決以上問(wèn)題，而且能夠極大提高資源回收率[3-4]。文章以某煤礦切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采為工程背景，分析了該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中礦壓特征，為礦井沿空留巷巷道施工與支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t，主要開(kāi)采10號(hào)煤層，該煤層共分為5個(gè)盤(pán)區(qū)進(jìn)行回采，其中10103工作面位于一盤(pán)區(qū)，煤層平均厚度2.5 m，傾向長(zhǎng)200 m，走向長(zhǎng)度878 m，傾角2～5°，采用長(zhǎng)壁式采煤方法，垮落法管理頂板。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.6 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度為6.7 m，直接底為泥巖，平均厚度2.2 m。工作面設(shè)計(jì)在10103主運(yùn)巷進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷如圖1所示，為了保障沿空留巷安全可靠，需研究其礦壓顯現(xiàn)特征，為巷道施工及支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 切頂卸壓沿空留巷

切頂卸壓沿空留巷主要是在工作面回采前，對(duì)預(yù)留巷道采用恒阻大變形錨索加強(qiáng)支護(hù)；然后采用爆破的方法對(duì)巷道靠近該工作面?zhèn)软敯暹M(jìn)行處理，人為地沿工作面推進(jìn)方向在巷道頂板上方形成一個(gè)弱面，當(dāng)工作面回采過(guò)后，巷道頂板能夠沿著弱面迅速垮落[5-9]?？拷锌p側(cè)采場(chǎng)上方“垮落帶巖層”在采場(chǎng)周期性壓力的作用下快速垮落，采用巷旁支護(hù)技術(shù)保證垮落矸石自動(dòng)形成巷幫，采空區(qū)內(nèi)矸石因自身碎脹特性充填采空區(qū)，快速形成對(duì)基本頂?shù)谝贿\(yùn)動(dòng)巖梁的支撐結(jié)構(gòu)；當(dāng)基本頂發(fā)生斷裂、下沉?xí)r，其破斷位置一般會(huì)位于切縫線(xiàn)側(cè)，隨后與采空區(qū)上方基本頂巖塊一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)巖梁運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，組成運(yùn)動(dòng)巖梁的各巖塊間會(huì)形成塑性鉸接結(jié)構(gòu)，并不斷向采空區(qū)四周保持力的傳遞效應(yīng)；在切頂后巷道上方頂板形成的切頂短臂梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用、恒阻大變形錨索的支護(hù)作用、采空區(qū)矸石對(duì)基本頂?shù)闹巫饔玫穆?lián)合作用下，提高了沿空巷道的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足了下一工作面對(duì)沿空巷道的使用要求；待采空區(qū)上方頂板運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，可拆除巷旁和巷內(nèi)支護(hù)材料。切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)原理示意如圖2所示。

圖1 10103工作面布置示意

3 礦壓顯現(xiàn)特征分析

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)目的

完整的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料可以為巷道支護(hù)的成功實(shí)施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是巷道支護(hù)工程得以鞏固和發(fā)展的重要保證。其主要目的在于：

圖2 切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)原理示意

1) 掌握巷道圍巖動(dòng)態(tài)及其規(guī)律性，為巷道支護(hù)進(jìn)行日常動(dòng)態(tài)化管理提供科學(xué)依據(jù)；

2) 為檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝的合理性，修改、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和合理確定二次支護(hù)時(shí)間提供科學(xué)依據(jù)；

3) 監(jiān)控巷道支護(hù)的施工質(zhì)量，對(duì)支護(hù)狀況進(jìn)行跟蹤反饋和預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程隱患，以保證施工安全和巷道穩(wěn)定。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)方案

將工作面采場(chǎng)分為兩個(gè)區(qū)域：卸壓區(qū)(1號(hào)～15號(hào)支架)和未卸壓區(qū)(16號(hào)～115號(hào)支架)。泄壓區(qū)域分別在工作面5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)支架處設(shè)置監(jiān)測(cè)站，未泄壓區(qū)域每隔10架設(shè)置一組監(jiān)測(cè)站，分區(qū)域?qū)ぷ髅娴V壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)示意如圖3所示。

圖3 工作面礦壓監(jiān)測(cè)示意

為研究巷道礦壓顯現(xiàn)特征，特對(duì)巷道錨索應(yīng)力、頂板下沉量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及工作面推進(jìn)情況，共布置10個(gè)錨索應(yīng)力計(jì)，相鄰應(yīng)力計(jì)間距為50 m，用于監(jiān)測(cè)巷道錨索受力情況；在頂板適宜位置布設(shè)10個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站布置深部與淺部?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，深部距頂板10 m，淺部距頂板4 m，用于監(jiān)測(cè)頂板下沉量，監(jiān)測(cè)方案如圖4所示。

圖4 巷道礦壓監(jiān)測(cè)不知示意(mm)

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.3.1 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各支架最大壓力及平均壓力分布情況如圖5所示。隨著回采工作面推進(jìn)，頂板初次來(lái)壓步距約為35 m，周期來(lái)壓步距約為15 m。對(duì)于卸壓區(qū)，工作面最大壓力約為30 MPa，平均壓力約為17 MPa；未卸壓區(qū)，對(duì)于工作面中間部位，支架壓力較大，最大達(dá)37 MPa，平均壓力達(dá)26 MPa，主要作用于24～94號(hào)支架之間。從切縫位置到工作面末端，支架平均壓力呈“凸”型變化，中間受力突出，兩端受力較小。

圖5 支架壓力變化曲線(xiàn)

結(jié)果表明，切頂卸壓影響主要作用于1號(hào)～15號(hào)支架之間，隨著直接頂?shù)臄嗔?，垮落矸石充填空區(qū)，在碎脹作用下，減小了空區(qū)側(cè)頂板變形發(fā)展速率，縮短頂板與矸石的接觸時(shí)間，使沿空留巷段壓力降低，保障巷道的穩(wěn)定。同時(shí)，切頂卸壓可以有效切斷頂板的應(yīng)力傳播路徑，使應(yīng)力集中向支架遠(yuǎn)端的實(shí)體煤層中傳導(dǎo)，提高支架的支撐效果，切頂卸壓效果顯著。

3.3.2 巷道礦壓顯現(xiàn)特征

隨機(jī)選取4號(hào)測(cè)點(diǎn)錨索應(yīng)力值隨工作面推進(jìn)位置變化曲線(xiàn)進(jìn)行分析如圖6所示。對(duì)于4號(hào)錨索，其初始預(yù)緊力約為275 kN，超前工作面錨索所受應(yīng)力平穩(wěn)，超前影響不明顯。受超前支承壓力的影響，滯后工作面0～90 m位置錨索壓力變化明顯，表明在此范圍內(nèi)頂板發(fā)生折斷運(yùn)動(dòng)，在滯后約10 m處，錨索壓力最高約為325 kN，隨后急劇降低，在滯后30 m處最小，約為122 kN，隨著滯后距離的增加，錨索壓力逐漸增加，滯后距離達(dá)100 m時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖6 4號(hào)測(cè)點(diǎn)錨索應(yīng)力變化情況

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隨著工作面推進(jìn)，受頂板覆巖周期斷裂垮落的影響，在滯后工作面0～30 m范圍內(nèi)變化顯著，最高可達(dá)310～325 kN，在恒阻錨索作用下，預(yù)緊力快速降低，最低可達(dá)122 kN，發(fā)揮了很好的卸壓效果。

由于篇幅所限，選取3號(hào)測(cè)點(diǎn)頂板離層量監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖7所示?；谇许斝秹簠^(qū)的2號(hào)離層結(jié)果，超前工作面頂板完好，基本沒(méi)有發(fā)生明顯離層；隨著滯后工作面距離的增加，離層呈“S”型曲線(xiàn)發(fā)展，滯后工作面0～90 m范圍內(nèi)離層顯著，隨后離層發(fā)展趨于穩(wěn)定，深部頂板離層程度高于淺部，深部最大離層量達(dá)159 mm，淺部最大離層量達(dá)138 mm。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，受采動(dòng)壓力影響，卸壓區(qū)內(nèi)頂板離層發(fā)展較均勻，能夠快速斷裂垮落充填空區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)10103工作面主運(yùn)巷進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷進(jìn)行礦壓觀測(cè)，得出以下結(jié)論：

1) 對(duì)巷道實(shí)施切頂卸壓后，工作面卸壓區(qū)域礦壓明顯小于未卸壓區(qū)，切頂卸壓可以有效切斷頂板的應(yīng)力傳播路徑，使應(yīng)力集中向支架遠(yuǎn)端的實(shí)體煤層中傳導(dǎo)，提高支架的支撐效果，切頂卸壓效果顯著。

2) 受頂板覆巖周期斷裂垮落的影響，在滯后工作面0～40 m范圍內(nèi)錨索應(yīng)力變化顯著，最高可達(dá)310～325 kN，在恒阻錨索作用下，預(yù)緊力快速降低，最低可達(dá)122～140 kN，發(fā)揮了很好的卸壓效果。

3) 受采動(dòng)壓力影響，卸壓區(qū)內(nèi)頂板離層發(fā)展較均勻，能夠快速斷裂垮落充填空區(qū)。

圖7 3號(hào)測(cè)點(diǎn)頂板離層監(jiān)測(cè)變化曲線(xiàn)