李正勝，苗勝軍，任奮華，楊文亮

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.陽(yáng)煤集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 和順 032700)

在煤層的深部開采中，在工作面的前方會(huì)出現(xiàn)較大的支撐壓力，造成巷道圍巖的變形，并且支撐壓力和巷道圍巖的變形會(huì)隨著工作面的推進(jìn)不斷的移動(dòng)和變化，對(duì)安全開采危害很大[1]。所以我們需要掌握在深部開采過(guò)程中巷道圍巖壓力的分布和變化規(guī)律，從而確定開采動(dòng)態(tài)過(guò)程中圍巖壓力和巷道變形的影響區(qū)域，選擇合理的巷道位置，確定煤柱尺寸，對(duì)巷道圍壓實(shí)行有效地管理和控制，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性[2-3]。

1 工程概況

呂家拓井工礦位于河北省唐山市古冶區(qū)境內(nèi)，西距唐山18km，北距古冶9km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°24′，北緯39°40′井田含煤地層屬二疊系下統(tǒng)和石炭系上統(tǒng)，含煤20余層。礦井采用立井多水平集中大巷上山開拓。煤層群聯(lián)合開采，主要井巷一般布置在煤層群最下可采煤層(12煤層)底板以下20～70m的灰色中粗砂巖深灰粉砂巖層內(nèi)，原煤生產(chǎn)主要集中在-800水平，為-800三采、四采里、八采(-600出煤)，而-950水平只有一個(gè)采區(qū)(首采)且-950水平正在延深中，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要煤層局部節(jié)理和裂隙發(fā)育，礦山壓力顯現(xiàn)比較明顯，對(duì)支護(hù)帶來(lái)不利影響，礦山壓力大和斷裂構(gòu)造發(fā)育是本礦井地質(zhì)條件的顯著特點(diǎn)，對(duì)礦山安全生產(chǎn)影響較大。對(duì)于礦山生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲得礦山壓力信息，并從中分析和掌握采煤工作面的礦壓規(guī)律是非常必要的。以此指導(dǎo)生產(chǎn)，是保證礦山安全生產(chǎn)的重要技術(shù)。

2 工作面支撐壓力測(cè)量

2.1 檢測(cè)方法

地下采煤破壞了采動(dòng)空間周邊煤巖體的應(yīng)力平衡，引起煤巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布。重新分布后的應(yīng)力超過(guò)煤巖體的極限強(qiáng)度時(shí)，使地下巷道或采煤工作面周圍的煤巖體破壞，并向已采空間移動(dòng)，直到達(dá)到新的應(yīng)力平衡。對(duì)于礦山生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲得礦山壓力信息，并從中分析和掌握采煤工作面的礦壓規(guī)律是非常必要的[4-5]。為了監(jiān)測(cè)采煤過(guò)程中由于采煤擾動(dòng)引起采場(chǎng)周圍巖體和煤體應(yīng)力的變化規(guī)律，采用KSE-II-1型鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)區(qū)域內(nèi)采煤工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，以便從中找出礦壓規(guī)律，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)工作。KSE-II-1型鉆孔應(yīng)力采用充液膨脹的鉆孔應(yīng)力枕特殊結(jié)構(gòu)形式,專用于煤、巖體內(nèi)相對(duì)應(yīng)力的測(cè)量。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

如圖1所示，在6177采面機(jī)巷煤體側(cè)進(jìn)行煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)，共安設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)8個(gè)。于巷幫中部并排打孔，孔徑45mm，測(cè)站間距為10～15m，鉆孔深度為10～14m。

圖1 6177采面及礦壓監(jiān)測(cè)位置示意圖

2.3 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)在各時(shí)間對(duì)應(yīng)的鉆孔壓應(yīng)力，繪出應(yīng)力值隨測(cè)點(diǎn)與工作面的距離變化關(guān)系曲線圖，見圖2。

圖2 鉆孔壓應(yīng)力與工作面距離關(guān)系圖

3 巖巷圍巖變形監(jiān)測(cè)

為了研究工作面開采過(guò)程中巷道圍巖變形規(guī)律，如圖1所示，在靠近己6177采面最近的運(yùn)輸巷道設(shè)置3個(gè)斷面，斷面間距為60m，分別進(jìn)行巷道頂板巖層位移監(jiān)測(cè)及巷道斷面收斂變形[6-8]。

3.1 巷道頂板巖層位移監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布置。巷道頂板巖層位移采用BOF-EX型鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)孔不同高程處頂板巖層位移量，從而確定頂板巖層變形規(guī)律。BOF-EX型多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)孔孔徑76mm，可測(cè)模塊數(shù)1～10個(gè)，測(cè)量精度0.01mm。如圖3所示，每個(gè)斷面測(cè)孔安裝3個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)，各斷面1#、2#、3#位移計(jì)安裝深度分別為16m、12m、8m。

圖3 頂板位移測(cè)孔及斷面收斂基線位置示意圖

巷道頂板巖層位移測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各斷面多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

3.2 巷道斷面收斂測(cè)量

斷面收斂測(cè)量方法及測(cè)點(diǎn)位置斷面收斂測(cè)量采用JSS30A-30數(shù)顯收斂計(jì)，該收斂計(jì)量測(cè)基線長(zhǎng)度為0.5～15m，讀數(shù)精度為±0.01mm，量測(cè)精度±0.05mm。巷道量測(cè)斷面位置及測(cè)量基線位置分別如圖1和圖3所示。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果做出3個(gè)斷面各測(cè)線的收斂變形值曲線如圖5所示。

圖4 頂板多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 斷面各測(cè)線的收斂變形值曲線

4 呂家拓礦深部礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到呂家拓礦深部開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1)圖2顯示了隨著回采工作面推進(jìn)而接近壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)壓力值開始是穩(wěn)定的，然后逐步增高，超過(guò)峰值后下降。在采煤工作面前方0～20m的范圍內(nèi)應(yīng)力是上升的；最大支承壓力位于采煤工作面前方10～20m的范圍內(nèi)；超過(guò)最大支承壓應(yīng)力點(diǎn)后，應(yīng)力值逐步減??；在80m以外，應(yīng)力趨于穩(wěn)定[9]。測(cè)得最大支承壓應(yīng)力為43MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)6177機(jī)巷的垂直應(yīng)力為12.14MPa。最大支承壓應(yīng)力為垂直應(yīng)力的3.54倍。

2)由各斷面多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量隨時(shí)間變化的折線圖很好的反映了巷道頂板和圍巖內(nèi)部8m和12m處的下沉值。同時(shí)得出：①各斷面孔口的下沉量最大，3#測(cè)點(diǎn)次之，2#測(cè)點(diǎn)最?、诟鲾嗝婵卓诘南鲁亮勘容^的接近，最大達(dá)到20mm；各測(cè)點(diǎn)的位移和下沉量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。因此回風(fēng)上山頂板有向不穩(wěn)定發(fā)展的趨勢(shì)，為控制不利趨勢(shì)，保證巷道的穩(wěn)定和正常運(yùn)行，必要時(shí)需進(jìn)行二次支護(hù)。

3)由圖5所示，回采過(guò)程中，鄰近巷道圍巖變形經(jīng)歷了3個(gè)階段：①當(dāng)測(cè)點(diǎn)離回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)，變形緩慢增長(zhǎng)；②隨回采工作面推進(jìn)，變形急劇增長(zhǎng)，最高收斂速率達(dá)0.7mm/d，持續(xù)約50d，期間累計(jì)變形量達(dá)巷道圍巖總變形量50%以上；③隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，變形緩慢并逐步趨于穩(wěn)定，當(dāng)收斂速率小于0.1mm/d時(shí)，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。

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