吳 強(qiáng)
(四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院, 四川 成都 610045)
隨著淺埋煤層逐漸開(kāi)采殆盡,煤礦開(kāi)采向深部延伸,深部工作面[1]采場(chǎng)與巷道的應(yīng)力分布及來(lái)壓狀況不同于淺部。目前對(duì)工作面的礦壓規(guī)律[2]研究多集中在淺埋煤層[3-5],對(duì)深部緩傾斜煤層綜采工作面的研究[6]相對(duì)較少,且主要集中在工作面采場(chǎng)的周期來(lái)壓及支架工作阻力分布情況[7-9],不能全面反映出工作面采場(chǎng)與回采巷道[10-11]的狀況。因此,合理布置礦壓觀測(cè)[12]儀器,研究相應(yīng)應(yīng)力分布與特點(diǎn),摸清并掌握巷道圍巖礦山壓力[13-16]分布狀況,為支護(hù)形式及巷道優(yōu)化布置提供依據(jù),對(duì)煤礦安全高效開(kāi)采具有重要意義。
山東某礦東西長(zhǎng)7~10 km;南北寬9 km,煤層賦存面積65 km。開(kāi)采煤層為二疊系山西組3煤,平均厚度為2.50 m,埋藏深度為-500~-650 m,平均傾角12°。煤層主要特征為:黑色,塊狀及粉末狀,以亮煤為主,偶夾暗煤條帶,條帶狀及塊狀結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,局部地段夾矸。
1516工作面長(zhǎng)度為180 m,頂板為中細(xì)砂巖,富水性較弱,厚度約44 m,局部存在厚度約0.4 m的泥巖。煤層直接底板為炭質(zhì)泥巖,厚度為3.85 m,老底為粉砂巖,厚度為6.80 m。下距三灰約50 m,三灰富水性中等,為3煤開(kāi)采時(shí)的重要充水含水層,3煤綜合柱狀如圖1所示。
掌握綜采工作面沿走向、傾向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,進(jìn)而掌握整個(gè)綜采工作面的壓力分布狀況,了解上覆巖層的運(yùn)動(dòng)范圍、規(guī)律,得出支架對(duì)頂板支護(hù)的穩(wěn)定性與可靠性;查明工作面兩巷圍巖移近量的范圍和程度,為采場(chǎng)和兩巷支護(hù)設(shè)計(jì)以及支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。
圖1 煤層綜合柱狀圖
測(cè)區(qū)分為兩大部分,一是回采工作面內(nèi)的觀測(cè),二是兩巷道內(nèi)的觀測(cè),監(jiān)測(cè)方案布置見(jiàn)圖2。
工作阻力監(jiān)測(cè):采用液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀KBJ-60-Ⅲ-2型對(duì)液壓支架立柱的工作阻力進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè),同時(shí)利用井下集中數(shù)據(jù)分機(jī)和采集器對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存。
回采巷道圍巖變形監(jiān)測(cè):采用“十字測(cè)量法”對(duì)巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè),在巷道頂?shù)装寮皟蓭透鞑贾靡粋€(gè)基點(diǎn),人工用皮尺進(jìn)行測(cè)量。
圖2 礦壓觀測(cè)點(diǎn)布置圖
頂板離層監(jiān)測(cè):采用頂板鉆孔安裝DLZ-Ⅱ型頂板離層監(jiān)測(cè)儀,對(duì)兩巷頂板離層情況進(jìn)行觀測(cè)。
本次礦壓監(jiān)測(cè)研究的地點(diǎn)為1516采煤工作面,該工作面始采于2012年4月25日,截至2012年6月4日,該工作面共推進(jìn)120 m,進(jìn)行了為期40 d的支架工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1516綜采工作面頂板支護(hù)采用ZY8600/15/32D型掩護(hù)式液壓支架,在回采過(guò)程中,沿工作面傾斜方向布置觀測(cè)儀器,采用KBJ-60Ⅲ-2支架阻力連續(xù)記錄儀,除去異常數(shù)據(jù)及移架過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化,處理之后,得到工作面回采0-120 m長(zhǎng)度時(shí)的支架工作阻力數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。
圖3 工作面支架工作阻力
由圖3可知,當(dāng)工作面推進(jìn)至24 m時(shí),發(fā)生初次來(lái)壓,支架工作阻力為8112 kN;繼續(xù)推進(jìn)至40 m時(shí),發(fā)生了第二次來(lái)壓,支架工作阻力為9105 kN,安全閥開(kāi)啟。之后工作面表現(xiàn)出周期性的來(lái)壓規(guī)律。周期來(lái)壓步距最大為18 m,最小為14 m,平均步距為16 m,來(lái)壓影響范圍為4~7 m,平均為5.5 m;來(lái)壓期間工作阻力最大為9105 kN,最小為8112 kN,平均為8536 kN,是額定工作阻力的99.2%;非來(lái)壓期間,支架所受的工作阻力平均為5137 kN,是額定工作阻力的59.7%。工作面的動(dòng)載系數(shù)最大為1.77,平均為1.66。因此,工作面選用ZY8600/15/32D型掩護(hù)式液壓支架能夠滿(mǎn)足工作面的正常生產(chǎn)。
工作面向前推進(jìn)12,24,40,48,56,62,70 m時(shí),分別得到液壓支架在來(lái)壓與非來(lái)壓期間沿工作面傾向的工作阻力狀況(見(jiàn)圖4)。
圖4 工作面傾向支架工作阻力特征
工作面在來(lái)壓期間,沿傾斜方向的壓力分布近似呈“峰”型,其中部、中上部處的支架所受工作阻力明顯大于兩端,并且在工作面機(jī)頭處所受工作阻力大于下部,工作面液壓支架工作阻力一般在35~55號(hào)支架位置處最大,該范圍內(nèi)最大工作阻力達(dá)到9105 kN。
工作面非來(lái)壓期間,液壓支架工作阻力沿傾向也呈“峰”型分布,其中上部42號(hào)支架處壓力最大,支架工作阻力達(dá)到5532 kN。
工作面回采巷道沿頂板掘進(jìn),在工作面前方設(shè)置觀測(cè)站,在頂板深部及兩幫深部布置1.6,3.2,4.3和6 m四個(gè)基點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),并對(duì)觀測(cè)站進(jìn)行表面位移的觀測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。
由圖5、圖6中可以看出,運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷表面位移整體變化量不大;運(yùn)輸巷兩幫最大移近量為345 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?20 mm;回風(fēng)巷兩幫最大移近量為298 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?79 mm,兩巷的兩幫變形量和頂?shù)装逦灰屏坎町惐容^小,圍巖收斂速度大體相同。在工作面回采期間,巷道圍巖變形可劃分為3個(gè)區(qū)域:
(1) 無(wú)采動(dòng)影響區(qū)域。距工作面前方大約80~120 m以?xún)?nèi)的區(qū)域,該區(qū)段巷道基本不受采動(dòng)的影響,巷道維護(hù)狀況比較好;
圖5 運(yùn)輸巷圍巖變形實(shí)測(cè)
圖6 回風(fēng)巷圍巖變形實(shí)測(cè)
(2) 采動(dòng)影響區(qū)域。在工作面前方大約40~80 m以?xún)?nèi)的區(qū)域,該段巷道由于受到工作面超前支承壓力的影響,巷道表面變形量表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),圍巖的平均變形速度為3.5 mm/d;
(3) 采動(dòng)影響劇烈區(qū)域。在工作面前方大約40 m以?xún)?nèi)的區(qū)域,巷道表面變形量急劇增大,圍巖變形的平均速度大于12 mm/d。
受工作面回采期間采動(dòng)影響, 回風(fēng)巷圍巖內(nèi)部也產(chǎn)生了比較明顯的變形, 但深度不同、部位不同,圍巖變形量也就不同,其規(guī)律為圍巖的變形量隨鉆孔深度的增加而減小(見(jiàn)圖7)。經(jīng)觀測(cè),頂板測(cè)點(diǎn)的變形量的最大值達(dá)到84.7 mm,且靠近工作面?zhèn)葴y(cè)點(diǎn)的最大變形量達(dá)到76.2 mm,靠近實(shí)體煤側(cè)測(cè)點(diǎn)的變形量為45.4 mm;巷道周邊深部圍巖的變形呈非線(xiàn)性,圍巖的松動(dòng)圈半徑大約為1. 6 ~3.2 m, 并且隨著基點(diǎn)距煤幫表面的距離增加, 其相應(yīng)位移減小。
(1) 根據(jù)各測(cè)線(xiàn)的支架工作阻力的觀測(cè)結(jié)果,工作面初次來(lái)壓步距為24 m,平均周期來(lái)壓步距為16 m,來(lái)壓期間工作阻力最大為9105 kN,平均為8536 kN,是額定工作阻力的99.2%;非來(lái)壓期間,支架所受的工作阻力平均為4937 kN,是額定工作阻力的59.7%。工作面的動(dòng)載系數(shù)最大為1.77,平均為1.66。支架性能能夠滿(mǎn)足工作面的正常生產(chǎn)。
圖7 回風(fēng)巷頂板深部位移曲線(xiàn)
(2) 工作面在來(lái)壓與非來(lái)壓期間,沿工作面傾斜方向的壓力分布近似呈“峰”型,其中在工作面中部、中上部支架位置處所受的工作阻力明顯大于兩端,工作面機(jī)頭位置處所受的工作阻力大于下部。
(3) 回采巷道支護(hù)比較合理,運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷的兩幫移近量及頂?shù)装逡平慷急容^小。工作面前方80 m以外,該區(qū)段巷道基本不受采動(dòng)的影響, 巷道維護(hù)狀況比較好;工作面前方80 m以?xún)?nèi),以大約40 m為界,40 m以外區(qū)段巷道表面變形逐漸增大,40 m以?xún)?nèi)的區(qū)段巷道表面變形快速增加。
(4) 巷道圍巖的變形量隨鉆孔深度的增加而減小,巷道周邊深部圍巖的變形呈非線(xiàn)性,圍巖松動(dòng)圈半徑大約為1.6 ~3.2 m,并且隨著基點(diǎn)距煤幫表面的距離增加,其相應(yīng)位移減小。
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