上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律實(shí)測研究

王成1，韓亞峰1，杜澤生2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

[摘要]為得到桃園煤礦上行卸壓開采上覆巖層活動(dòng)規(guī)律以及巷道工程開挖時(shí)機(jī)，采用長度137m深孔位移監(jiān)測和受采動(dòng)巷道圍巖收斂監(jiān)測等多種手段相結(jié)合，長期跟蹤覆巖活動(dòng)情況。結(jié)果表明：上覆巖層活動(dòng)具有階段性，第一階段為活動(dòng)劇烈期，以裂縫帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約90 d；第二階段為活動(dòng)緩和期，以彎曲下沉帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約75 d；之后為巖層活動(dòng)穩(wěn)定期；受采動(dòng)影響的巷道呈階段性滯后響應(yīng)特征；上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為采后165 d，巷道開挖最佳時(shí)機(jī)為采后165～180d。

[關(guān)鍵詞]上覆巖層；巖層活動(dòng)；階段性；穩(wěn)定時(shí)間

[中圖分類號]TD322[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[收稿日期]2014-05-27

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.018

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304065，51274088)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012-064)

[作者簡介]王成(1984-)，男，安徽含山人，博士，副教授，現(xiàn)從事礦壓理論及其控制技術(shù)、深井煤與瓦斯共采方面的研究。

Monitoring of Periodical Movement Rule of Overlying Strata

WANG Cheng1, HAN Ya-feng1, DU Ze-sheng2

(1.Energy Science & Engineering School, Henan University of Science & Technology, Jiaozuo 454003, China;

2.Henan Provincial Coal Science Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to obtain overlying strata movement rule of up-mining for pressure relief and excavation opportunity, 137m deep bore-hole displacement monitoring and surrounding rock convergence monitoring of roadway were applied to long-timely tracing surrounding rock movement.Monitoring result showed that overlying strata movement took on periodical characteristic, the first stage was strong movement stage of rock within fissure zone which continued about 90 days, the second stage was movement remission stage of rock in bending and subsidence zone which continued about 75d, afterwards, rock movement started to be stable.Roadway influenced by mining activity responded subsequently with this periodical characteristic.Stability time of overlying strata was 165 days after mining and rational excavation time of roadway was 165-180 days after mining.

Keywords:overlying strata; rock strata movement; stage; stability time

[引用格式]王成，韓亞峰，杜澤生.上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律實(shí)測研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：60-63.

煤層群的開采順序是煤層群開采中至關(guān)重要的問題之一[1-5]，一般來說，應(yīng)當(dāng)按照由上而下的開采順序進(jìn)行，以避免開采順序改變對上覆未被開采煤層和井巷工程的大面積采動(dòng)破壞。但是，有時(shí)往往因?yàn)榈V井生產(chǎn)接替關(guān)系的需要，或者為了釋放應(yīng)力，開采解放層，提高采出率，或者為了合理進(jìn)行煤質(zhì)搭配或其他原因[6-11]，在考慮開采層位時(shí)，不應(yīng)拘泥于單一的下行開采程序，而應(yīng)當(dāng)綜合考慮各影響因素，選擇上行順序開采以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

以淮北礦業(yè)集團(tuán)桃園煤礦零采區(qū)為典型試驗(yàn)研究點(diǎn)，系統(tǒng)研究10煤開采對7煤、8煤層開采條件及巷道工程穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對于礦井開拓布局、合理確定相關(guān)煤層的開采順序、上部煤層巷道的準(zhǔn)備時(shí)機(jī)及預(yù)防開采過程中可能出現(xiàn)的安全隱患意義重大。

1工程地質(zhì)條件

桃園煤礦井田北以F1斷層為界，南以第10勘探線為界與祁南煤礦毗鄰，西界為10煤層露頭線，東界至32煤層-800m底板等高線的水平投影，井田南北走向長約15km，東西傾向?qū)?.5～3.5km，井田面積約32km2。井田內(nèi)共含可采煤層9層，其中較穩(wěn)定煤層2層，分別為8煤和10煤；不穩(wěn)定煤層6層，分別為32，52，61，63，71，72煤層；極不穩(wěn)定煤層1層，為4煤層?？刹擅簩悠骄偤穸?1.84m，占煤層總厚的54%；較穩(wěn)定煤層平均總厚5.12m，占可采煤層厚度的43%。主采煤層分別為32，71，8，10煤層。

2005年由煤科總院重慶分院對桃園煤礦瓦斯等級進(jìn)行鑒定，最終確定8煤層為突出煤層，桃園煤礦升級為煤與瓦斯突出礦井。針對桃園煤礦10，71，8煤層群賦存條件，采用上行開采以解決瓦斯問題，保證礦井回采的安全。

2觀測儀器與測站布置

在科研鉆場布置2個(gè)長距離鉆孔(1號和2號)，為了保證鉆孔穿透8煤(8煤和10煤平均間距76m)，鉆孔長度分別為143m和151m，采用直徑94mm地質(zhì)鉆施工，要求保持鉆孔角度，使鉆孔直度符合要求，不出現(xiàn)臺階，避免出現(xiàn)蛇形孔，鉆孔需用水沖洗干凈巖屑和巖石碎塊，以免巖屑堵塞探頭影響觀測。

為配合該項(xiàng)目的研究，桃園煤礦于5月28日將科研鉆場開掘準(zhǔn)備妥當(dāng)，6月3日鉆機(jī)安裝到位，6月5日開始三班循環(huán)開鉆，6月8號2個(gè)深孔窺視儀鉆孔均施工完畢，如圖1所示，鉆孔角度分別45°和40°。

圖1　鉆孔布置示意

3上覆巖層穩(wěn)定時(shí)間及巷道開挖時(shí)機(jī)

3.1　上覆巖層階段性活動(dòng)規(guī)律分析

工作面停采后，為了深入了解采空區(qū)上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律，于7月6日在2號鉆孔(鉆孔角度40°)中安設(shè)長度達(dá)137m的深孔位移計(jì)，由于深孔位移計(jì)安裝距離長且位于巷道頂板，測點(diǎn)安裝極其困難，因此僅僅安裝了1個(gè)深基點(diǎn)，但長時(shí)間的跟蹤觀測可以動(dòng)態(tài)分析上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律。在實(shí)際鉆孔施工過程中，2號鉆孔穿透8煤，137m長鉆孔的垂直高度為88m，而8煤與10煤平均間距76m，結(jié)合采場覆巖“三帶”范圍，確定深孔位移計(jì)的深基點(diǎn)位于8煤頂板中，且處于彎曲下沉帶內(nèi)。7月9日開始觀測，至12月18日觀測結(jié)束，其累計(jì)絕對位移量和速度變化曲線如圖2所示。

圖2　上覆巖層活動(dòng)情況

分析圖2，可以得出如下規(guī)律：

(1)停采約165d時(shí)，深孔位移計(jì)位移監(jiān)測值基本穩(wěn)定，因此，確定1001回采工作面上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為165d。

(2)遠(yuǎn)距離深孔位移監(jiān)測值表現(xiàn)出先增大后減小，然后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。說明停采后一段時(shí)間采空區(qū)頂板一直在做下沉運(yùn)動(dòng)，其根本原因：上覆巖層活動(dòng)是自下而上漸進(jìn)發(fā)展的，覆巖破壞范圍增大，離層層位不斷向上發(fā)展，導(dǎo)致在不同時(shí)期彎曲下沉帶和裂縫帶兩者下沉速度不一。起初裂縫帶下沉速度大于彎曲下沉帶的下沉速度，以裂縫帶內(nèi)的活動(dòng)為主；隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí)，裂縫帶及時(shí)響應(yīng)并減速下沉，當(dāng)下沉速度小于彎曲下沉帶下沉速度時(shí)，深孔位移監(jiān)測值達(dá)到峰值165mm(停采76d)，之后以彎曲下沉帶運(yùn)動(dòng)為主，兩者相對位移又開始減小，下降至107mm，采空區(qū)不斷壓實(shí)，采后165d上覆巖層趨于穩(wěn)定。

(3)工作面停采90d為采空區(qū)上覆巖層的劇烈運(yùn)動(dòng)期，以裂縫帶內(nèi)的巖層活動(dòng)為主，最大位移速度達(dá)到55mm/d；停采75d位移速度為0，此后位移速度出現(xiàn)負(fù)值，裂縫帶活動(dòng)緩和，以彎曲下沉帶內(nèi)的巖層活動(dòng)為主(持續(xù)約75d)，隨著采空區(qū)進(jìn)一步壓實(shí)，停采165d位移速度在0～0.1mm/d波動(dòng)，處于穩(wěn)定階段。

3.2　巷道常規(guī)礦壓實(shí)測規(guī)律分析

工作面停采后，分別在鉆場前方、后方和鉆場內(nèi)設(shè)置了10個(gè)觀測站，分別為巷道表面收斂(3個(gè)斷面各1個(gè)測站)、錨桿受力(4個(gè)測站，共20個(gè)測點(diǎn))、多點(diǎn)位移(3個(gè)測站，共9個(gè)測點(diǎn))，如圖3所示。6月9日至12月18日開展持續(xù)全方位實(shí)測研究，分析采動(dòng)影響下巷道的開挖最佳時(shí)機(jī)。巷道礦壓測試地點(diǎn)雖然是10煤層巷道，但10煤層采動(dòng)巷道的穩(wěn)定性由1001工作面采動(dòng)和觀測巷道開挖兩者共同決定，因此，通過10煤層采動(dòng)巷道穩(wěn)定時(shí)間可以確定上覆8煤層巷道開挖時(shí)機(jī)上限，而最佳開挖時(shí)機(jī)下限即是上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間。

圖3　巷道測站布置示意

3.2.1巷道圍巖位移規(guī)律3.2.1.1巷道圍巖變形規(guī)律

巷道圍巖用表面收斂儀測量，精度較高，通過6個(gè)多月的礦壓觀測，得到桃園煤礦1001工作面鉆場附近3個(gè)巷道的斷面的收斂情況，如圖4所示，總結(jié)得出如下規(guī)律：

(1)工作面停采約180d，各測點(diǎn)的兩幫位移變化基本穩(wěn)定。

(2)各測點(diǎn)變化趨勢基本一致。KD2測點(diǎn)兩幫累計(jì)位移量最大，達(dá)37.11mm，其次為KD3測點(diǎn)和KD1測點(diǎn)，分別為28.25mm和16.4mm。

分析原因可知，KD2測點(diǎn)在鉆場內(nèi)，靠近鉆場和巷道形成的交叉區(qū)域(跨度大)，受1001工作面支承壓力的影響較強(qiáng)烈，導(dǎo)致其表面收斂量較大。而KD1測點(diǎn)所在位置，在工作面停采后，礦方反復(fù)施工加固，致使其巷道表面收斂量非常小。

(3)各測點(diǎn)的變化均表現(xiàn)出明顯的階段性。以KD2點(diǎn)為例，第1階段為采后90d，兩幫的變形量急劇增大，累計(jì)變形達(dá)到20mm，進(jìn)入第2次劇烈變化，強(qiáng)度較第1次小，持續(xù)時(shí)間約為90d，此階段累計(jì)變形為17mm，之后兩幫變形基本穩(wěn)定，KD1和KD3變化趨勢與KD2基本相同。

圖4　圍巖變形量

3.2.1.2巷道圍巖變形速度變化規(guī)律

分析巷道圍巖變形速度可得(見圖5)：

圖5　圍巖變形速度

(1)KD1，KD2，KD3測點(diǎn)的兩幫最大變形速度0.86mm/d，2.55mm/d和2.1mm/d，對應(yīng)的工作面停采時(shí)間分別為20d，38d和14d。

(2)圍巖變形速度均呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢。工作面停采180d，兩幫變形基本達(dá)到穩(wěn)定，各測點(diǎn)位移速度均趨向于0。

(3)各測點(diǎn)的圍巖變形速度均呈現(xiàn)出明顯的階段性和周期性衰減的變化規(guī)律。

停采初期，采場上覆巖層處于劇烈移動(dòng)期，導(dǎo)致工作面支承壓力不斷變化調(diào)整，巷道受采動(dòng)影響的程度實(shí)時(shí)變化，巷道變形速度也動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其具體表現(xiàn)為震幅大，周期短；隨著停采時(shí)間的增加，采場上覆巖層活動(dòng)逐漸趨于緩和，巷道變形速度表現(xiàn)為震幅減小，周期明顯延長，最終趨于穩(wěn)定。

3.2.2錨桿受力分析

6月9日在鉆場附近設(shè)置了4個(gè)觀測斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)錨桿測力計(jì)，觀測時(shí)間長達(dá)0.5a，同一斷面的測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6　錨桿測力計(jì)測點(diǎn)布置

測力計(jì)觀測結(jié)果如圖7，得出如下規(guī)律：

圖7　部分錨桿測力計(jì)示數(shù)變化

(1)錨桿測力計(jì)讀數(shù)最終基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間約為180d。

(2)幫部錨桿受力普遍大于頂板錨桿受力，兩幫錨桿受力呈下大上小的趨勢。讀數(shù)最大的錨桿位于右?guī)拖聜?cè)，最小的是右?guī)蜕蟼?cè)(KD5和KD6測點(diǎn)左幫下測力計(jì)安裝有問題，可不予考慮)，排序?yàn)椋河規(guī)拖?左幫下>左幫上>中頂>右?guī)蜕?。表明在支承壓力的作用下，巷道幫部的變形總體上較頂板變形大，而右?guī)蜕襄^桿受力最小，說明半圓拱巷道幫上肩窩部位破壞嚴(yán)重，錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖松散破碎，整體移動(dòng)，錨桿張拉力較小。各測點(diǎn)穩(wěn)定后的讀數(shù)見表1。

表1　KD4～KD7測點(diǎn)的測力計(jì)讀數(shù)　MPa

(3)錨桿受力也呈現(xiàn)出明顯的階段性，與圍巖的變形量和變形速度呈現(xiàn)的階段性一致。KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)尤為明顯。分析可知，變化第1個(gè)階段為90d，錨桿受力變化較快，受力較大，此時(shí)KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別由0增大至5.7MPa和8.5MPa；第2階段，由于測力計(jì)與錨桿不良接觸，部分錨桿受力有所下降，KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別由5.7MPa和8.5MPa降至4.8MPa和6.7MPa，之后測力計(jì)讀數(shù)又逐漸增大，但增幅較第1階段明顯較弱，說明采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)較前一階段有所緩和，此時(shí)KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別由4.8MPa和6.7MPa升至5.3MPa和8.1MPa；經(jīng)過約180d的變化，錨桿受力完全穩(wěn)定，KD4和KD7的右?guī)拖伦x數(shù)分別為5.3MPa和8.1MPa。

根據(jù)上覆巖層活動(dòng)及巷道礦壓顯現(xiàn)分析，兩者均表現(xiàn)出階段性的特征，二者緊密相關(guān)。上覆巖層活動(dòng)傳遞應(yīng)力進(jìn)而影響巷道，巷道圍巖變形和錨桿受力相應(yīng)地表現(xiàn)出階段性響應(yīng)特征(停采180d后穩(wěn)定)，具體表現(xiàn)為巷道表面開裂形成裂縫、噴層部分脫落。但這種響應(yīng)具有一定的滯后性，滯后上覆巖層15d穩(wěn)定。

4結(jié)論

(1)上覆巖層活動(dòng)具有階段性，第1階段為活動(dòng)劇烈期，以裂縫帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約為90d；第2階段為活動(dòng)緩和期，以彎曲下沉帶內(nèi)巖層活動(dòng)為主，持續(xù)時(shí)間約為75d；之后為巖層活動(dòng)穩(wěn)定期。

(2)受采動(dòng)影響的巷道呈階段性滯后響應(yīng)，滯后上覆巖層15d穩(wěn)定。

(3)桃園煤礦1001工作面上覆巖層穩(wěn)定時(shí)間為165d，巷道開挖最佳時(shí)機(jī)為采后165～180d。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Т.Ф.Горбачев,А.П.Западинский.庫茲巴斯煤層群上行順序開采法.北京：煤炭工業(yè)出版社，1958.

[2]雷明輝.煤層群開采程序的研究.泰安：山東礦業(yè)學(xué)院，1988.

[3]汪理全，李中頏.煤層(群)上行開采技術(shù).北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[4]陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[5]王文彬.平頂山七礦上行開采技術(shù)研究.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1997.

[6]姜領(lǐng)發(fā).深井傾斜近距離煤層上行開采可行性研究.泰安：山東科技大學(xué)，2002.

[7]YUAN Liang.Technique of coal mining and gas extraction without coal pillar in multi-seam with low permeability .Journal of Coal Science & Engineering, 2009，25(2)：120-128.

[8]杜計(jì)平，汪理全.煤礦特殊開采方法.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[9]袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù).北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

[10]蔣金泉，孫春江，尹增德，等.深井高應(yīng)力難采煤層上行卸壓開采的研究與實(shí)踐.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(1)：1-6.

[11]陳勇，王紅勝，郭念波，等.厚煤層上行開采放頂煤技術(shù)研究與應(yīng)用.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(6)：9-13.

[責(zé)任編輯：林健]

湖南省首次找到儲(chǔ)量超300Mt的煤礦區(qū)

日前，從湖南省煤炭地質(zhì)勘查院獲悉，該院承擔(dān)的湖南省首個(gè)煤炭整裝勘查項(xiàng)目——攸縣黃蘭煤炭整裝勘查取得重大突破，共探獲煤炭資源儲(chǔ)量343Mt。專家表示，能發(fā)現(xiàn)資源量超億噸的煤礦區(qū)，不僅在湖南，就是在整個(gè)缺煤的南方省份都屬罕見。

湖南省煤炭地質(zhì)勘查院院長何紅生表示，這是湖南省首次找到儲(chǔ)量超過300Mt的煤礦區(qū)，對煤炭資源緊缺的湖南省來說意義重大。該項(xiàng)目探明的煤炭儲(chǔ)量，為附近正在建設(shè)、即將投產(chǎn)的大唐華銀攸縣煤電一體化項(xiàng)目提供了充足的煤炭資源。

摘自《煤炭信息》周刊 2015.1.22