杭來(lái)灣煤礦大采高綜采面回采巷道圍巖變形規(guī)律

閆鵬佳,薛雄飛,胡志華,劉桂璋,趙志楊,許春寶

(1.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤層開采擾動(dòng)打破了地層原始應(yīng)力平衡狀態(tài),導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。根據(jù)大量的理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究成果,煤層開采后上覆巖層重量將會(huì)向采空區(qū)四周新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移,從而在采空區(qū)周圍形成支承壓力帶[1-4]。其中在工作面前方形成超前支承壓力,隨著工作面的推進(jìn)逐漸向前移動(dòng)。由于回采巷道超前段處于采動(dòng)支承壓力影響范圍內(nèi),造成超前段圍巖容易發(fā)生較大變形,影響巷道支護(hù)和工作面正常生產(chǎn)[5-7]。

張玉鵬、孔令海、靖洪文等[8-10]采用理論分析、數(shù)值模擬和相似模擬相結(jié)合的研究方法,綜合確定大采高綜采條件下深部特厚煤層的巷道圍巖破壞深度。顧士坦、顧國(guó)民、王建輝等[11-13]采用理論分析方法研究深部巷道圍巖變形的影響因素,并通過(guò)數(shù)值模擬探討不同生產(chǎn)地質(zhì)條件下巷道圍巖塑性破壞分布規(guī)律,結(jié)合灰色度分析方法確定影響巷道圍巖變形破壞程度的主要因素分別為開采深度、堅(jiān)硬頂板厚度、煤層厚度。高峰[14]利用數(shù)值模擬方法研究大采高回采巷道在受二次采動(dòng)影響時(shí)圍巖的應(yīng)力分布和移動(dòng)變形規(guī)律。劉亞鵬[15]研究大采高回采巷道上覆巖層破斷規(guī)律及力學(xué)特征。李春意等[16]研究深部大采高沿空留巷圍巖穩(wěn)定性及形變規(guī)律,發(fā)現(xiàn)沿空巷道圍巖位移量與工作面至測(cè)站點(diǎn)距離之間符合Slogistic增長(zhǎng)函數(shù)模型。

目前,對(duì)于大采高工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律的研究還處于探索中,以杭來(lái)灣煤礦30201工作面為例,采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法分別對(duì)該工作面膠運(yùn)回采巷道表面位移及圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行監(jiān)測(cè),以期為礦井后續(xù)工作面開采設(shè)計(jì)以及巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 采礦地質(zhì)條件

1.1 礦區(qū)概況

杭來(lái)灣煤礦位于國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃礦區(qū)陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的西南部,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,含可采煤層6層,煤炭資源量達(dá)13億t。其中主采煤層3號(hào)煤層厚度平均8.56 m。

30201工作面是該礦區(qū)302盤區(qū)首個(gè)大采高工作面,因此對(duì)于該工作面回采巷道圍巖變形規(guī)律的研究,可為剩余大采高工作面布置、頂板控制等提供依據(jù)。

1.2 工作面地質(zhì)條件

30201工作面3號(hào)煤層可采煤厚度6.4～8.5 m,平均厚度7.5 m,煤層底板標(biāo)高(從切眼到主輔回撤通道)為1 017～1 041 m,工作面傾角為0.2°～0.5°,平均0.3°,采用仰采后退式采煤。埋深205～260 m,平均埋深233 m,上覆基巖厚度139～199 m,平均厚度169 m,松散層厚度45～81 m,平均厚度63 m。

煤層直接頂板以粉砂巖、泥巖為主,少量細(xì)粒-粗粒長(zhǎng)石砂巖,基本頂為延安組第四段底砂巖中粒長(zhǎng)石砂巖,厚度大,穩(wěn)定性較好。直接底板以粉砂巖、泥巖為主,少量細(xì)-粗砂巖、碳質(zhì)泥巖。頂?shù)装鍘r層分布見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石特征

1.3 工作面開采條件

30201工作面位于井田3號(hào)煤層2盤區(qū),沿煤層傾向布置,走向長(zhǎng)度5 717.9 m,傾斜長(zhǎng)度300 m。沿煤層走向布置膠運(yùn)巷、輔運(yùn)巷、回風(fēng)巷各一條。

2 表面位移變化規(guī)律

2.1 測(cè)站布置

在30201工作面前方膠運(yùn)平巷中布置3個(gè)測(cè)站,膠運(yùn)平巷第1測(cè)站布置在2 940 m里程,第2測(cè)站布置在2 890 m里程,第3測(cè)站布置在2 860 m里程。每個(gè)測(cè)站采用十字交叉法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),如圖1所示。

圖1 測(cè)站布置示意Fig.1 Diagram of observation station layout

從2022年7月30日早班30201工作面推進(jìn)至約2 994 m里程時(shí)開始監(jiān)測(cè),距離第1個(gè)測(cè)站約54 m,直至8月18日工作面推采通過(guò)第3個(gè)測(cè)站。

2.2 頂板變形規(guī)律

監(jiān)測(cè)期間膠運(yùn)平巷頂?shù)装逡平亢鸵平俣惹€如圖2所示。

圖2 膠運(yùn)平巷頂?shù)装遄冃我?guī)律Fig.2 Roof and floor deformation law of belt transportation roadway

膠運(yùn)平巷測(cè)站1在距工作面約25 m時(shí)頂?shù)装逡平吭龃笾?0 mm,在距工作面約3 m處變形增大至約20 mm。距離工作面15 m左右頂?shù)装逡平俣乳_始增加至10 mm/d。

測(cè)站2在距工作面38 m處開始發(fā)生變形,頂?shù)装逡平吭黾又?0 mm,在距工作面約8 m處,增加至90 mm。距離工作面17 m左右頂?shù)装逡平俣乳_始增加至30 mm/d,然后急劇增大。

測(cè)站3在距工作面38 m處頂板移近量增加至2 mm,隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),開采擾動(dòng)影響加劇,在距工作面3 m處,頂?shù)装逡平吭黾又?0 mm。距離工作面11 m左右頂?shù)装逡平俣乳_始增加至25 mm/d,然后急劇增大。

2.3 幫部變形規(guī)律

監(jiān)測(cè)期間膠運(yùn)平巷兩幫移近量和移近速度曲線如圖3所示。

圖3 膠運(yùn)平巷兩幫變形規(guī)律Fig.3 Two sides deformation law of belt transportation roadway

膠運(yùn)平巷測(cè)站1在距工作面25 m處,兩幫移近量開始逐漸增大,由0增加至10 mm,然后保持穩(wěn)定,在距工作面3 m處增至50 mm。距離工作面15 m處,兩幫移近速度達(dá)到20 mm/d,然后波動(dòng)變化。

測(cè)站2在距工作面33 m處兩幫變形開始增大至10 mm,在距工作面8 m處增大至50 mm。距離工作面17 m處,兩幫移近速度達(dá)到10 mm/d,然后急劇增大。

測(cè)站3在距工作面35 m處兩幫開始發(fā)生變形,兩幫移近量增加至10 mm,隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),在距工作面3 m處增加至85 mm。距離工作面11 m處,兩幫移近速度達(dá)到10 mm/d,然后急劇增大。

3 圍巖松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律

3.1 測(cè)站布置

在30201膠運(yùn)平巷超前工作面3 m、8 m、18 m和53 m各布置1個(gè)觀測(cè)站,如圖4所示。

圖4 測(cè)站布置Fig.4 Layout of observation station

4個(gè)測(cè)站分別對(duì)應(yīng)采動(dòng)影響劇烈段、超前支承壓力峰值位置、采動(dòng)影響減弱段、采動(dòng)影響范圍外。每個(gè)測(cè)站,在兩幫中間位置各布置1個(gè)窺視孔,孔深4 m;在頂板中間位置布置1個(gè)窺視孔,孔深5 m。

3.2 探測(cè)結(jié)果

3.2.1 測(cè)站1

頂板窺視鉆孔在孔深0.4 m處發(fā)育1條斜向裂隙,0.9 m處發(fā)育1條豎向裂隙;孔深1.2 m、1.5 m處孔壁較為破碎,在孔深達(dá)到1.9 m時(shí)孔壁凸起,阻擋探頭;在孔深2.3 m處出現(xiàn)1條橫向離層裂隙。

回采幫窺視鉆孔分別在孔深0.8 m、1.1 m、1.5 m處均發(fā)育有橫向離層裂隙;孔深1.8 m處孔壁變窄。

煤柱幫窺視鉆孔在孔深0.8 m處發(fā)育1條橫向的離層裂隙,孔深1.6 m處發(fā)育有豎向的裂隙,孔深2.2 m處孔壁出現(xiàn)臺(tái)階;孔深2.8 m以內(nèi)孔壁光滑。

3.2.2 測(cè)站2

頂板窺視鉆孔在孔深0.7 m處孔壁較為破碎;孔深1.1 m處發(fā)育1條橫向離層裂隙;孔深1.8 m處發(fā)育有1條豎向裂隙;孔深達(dá)到1.8 m時(shí)孔壁凸起,阻擋探頭前進(jìn)。

回采幫窺視鉆孔分別在孔深0.8 m、1.3 m處均發(fā)育有豎向裂隙;孔深1.5 m處孔壁較為破碎,1.5 m以內(nèi)孔壁光滑。

煤柱幫窺視鉆孔在孔深0.8 m、1.6 m處孔壁破碎,在孔深2.2 m處出現(xiàn)臺(tái)階凸起,孔深2.8 m處孔壁四周較為破碎,孔深達(dá)到3.2 m后孔壁基本完好,未見明顯裂隙發(fā)育。

3.2.3 測(cè)站3

頂板窺視鉆孔在孔深0.3 m處孔壁縮小;孔深0.5 m以內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂隙發(fā)育。

回采幫窺視鉆孔分別在孔深0.3 m處孔壁較為破碎,1.3 m處均發(fā)育有橫向離層裂隙。

煤柱幫窺視鉆孔在孔深1.6 m、2.3 m處孔壁均出現(xiàn)臺(tái)階凸起,孔深2.3 m以內(nèi)未見明顯裂隙發(fā)育。

3.2.4 測(cè)站4

頂板窺視鉆孔在孔深0.4 m處孔壁破碎;孔深0.4 m以內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂隙發(fā)育。

回采幫窺視鉆孔孔壁均較為光滑。煤柱幫窺視鉆孔在孔深0.8 m處孔壁出現(xiàn)凸起,孔深0.8 m以內(nèi)未見明顯裂隙發(fā)育。

3.3 圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律

將各個(gè)鉆孔探測(cè)得到的圍巖裂隙發(fā)育情況通過(guò)素描方式繪制,如圖5所示。

圖5 松動(dòng)圈范圍及裂隙發(fā)育素描圖Fig.5 Range of loose circle and crack development

距離工作面53 m處(測(cè)站4)圍巖基本處于初始掘進(jìn)擾動(dòng)狀態(tài),只在頂板發(fā)育有0.1 m左右的松動(dòng)圈。距離工作面18 m(測(cè)站3)開始受到工作面開采擾動(dòng)影響,在原始擾動(dòng)范圍的基礎(chǔ)上發(fā)育新的松動(dòng)圈。距離工作面8 m處(測(cè)站2)處于在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下頂板(1.1 m、1.8 m)和回采幫(0.5 m、1.3 m)出現(xiàn)明顯的離層裂隙。距離工作面3 m處,圍巖破碎帶范圍繼續(xù)擴(kuò)大至約0.5 m,頂板0.9 m、2.3 m處發(fā)育有豎向裂隙和橫向離層裂隙,回采幫0.8 m、1.1 m、1.5 m處,以及煤柱幫0.8 m、1.6 m處均發(fā)育有豎向裂隙。

4 結(jié)論

(1)膠運(yùn)平巷在超前工作面約22～38 m處開始發(fā)生變形,初期變形量較小(5～20 mm),臨近工作面3～8 m時(shí)頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到90 mm、兩幫最大移進(jìn)量達(dá)到85 mm。膠運(yùn)平巷3個(gè)測(cè)站頂?shù)装逡平俣确謩e從15 m、17 m、11 m處急劇增大,兩幫移近速度分別從15 m、17 m、11 m處急劇增大。

(2)采用鉆孔窺視儀對(duì)30201工作面膠運(yùn)平巷超前段圍巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明,工作面前方3 m處巷道圍巖處于采動(dòng)影響劇烈階段;工作面前方8 m處巷道圍巖基本處于超前支承壓力峰值影響階段;工作面前方18 m處巷道圍巖基本處于超前支承壓力減弱段;工作面前方53 m處巷道圍巖基本處于原始應(yīng)力區(qū)。

(3)綜合分析膠運(yùn)平巷超前段表面位移變形規(guī)律和松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果,30201回采巷道采動(dòng)影響跡象顯現(xiàn)范圍約為超前18 m,建議30201工作面回采巷道超前支護(hù)距離不小于20 m。