王國(guó)舉1,2

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，綜放開采技術(shù)廣泛應(yīng)用于厚煤層開采，是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的有效途徑。在綜放技術(shù)廣泛應(yīng)用的過(guò)程中也不斷出現(xiàn)新的問(wèn)題，如采出率低、含矸率高、區(qū)段煤柱留設(shè)及采場(chǎng)周圍巷道布置不合理等[1]。區(qū)段保護(hù)煤柱的留設(shè)在很大程度上直接影響著采出率，煤柱尺寸留設(shè)過(guò)大采出率較低，留設(shè)過(guò)小可能無(wú)法控制巷道變形。針對(duì)煤柱尺寸優(yōu)化問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了理論分析與數(shù)值試驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)煤柱尺寸，并通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[2-3]。近些年，為充分提高煤炭采出率，小煤柱沿空掘巷技術(shù)得到大力發(fā)展，并取得一定成果[4]。

東龐礦北井具有煤層埋藏淺、厚度大的特點(diǎn)，留設(shè)小煤柱沿空掘巷綜放開采得到了廣泛的推廣應(yīng)用。本文以東龐礦北井9205 工作面軌道巷為背景，采用理論分析，建立沿空掘巷上覆結(jié)構(gòu)力學(xué)模型并確定保護(hù)煤柱的寬度，應(yīng)用高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析9205 軌道巷在工作面回采過(guò)程中圍巖微震事件特征，圈定9205 軌道巷的破壞范圍，研究9205 工作面回采過(guò)程中軌道巷的變形破壞機(jī)制，并驗(yàn)證煤柱寬度留設(shè)的合理性，同時(shí)對(duì)礦區(qū)類似條件下，推廣留設(shè)小煤柱護(hù)巷積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 概 況

9205 試采工作面北鄰已回采的9203 工作面，南至F3 斷層保護(hù)煤柱附近，西至工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱附近。9205 試采工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉積穩(wěn)定，一般含多層夾矸，煤層及夾矸厚度有一定變化。92 煤厚度為2.5～2.8 m，平均厚度為2.65 m；93 煤厚度為2.9 m，平均厚度為2.9 m，92 煤與93煤夾矸為碳質(zhì)泥巖，厚度為0.7 m，平均厚度為0.7 m，煤層總厚度5.8～7.6 m，平均為6.25 m。煤層傾角為11°～14°，平均傾角為12.2°。走向長(zhǎng)度762.6 m，傾斜長(zhǎng)度83.5 m。9205 工作面平面布置如圖1 所示。

圖1 9205 工作面平面布置示意Fig.1 Plane layout of No.9205 Face

2 沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 沿空巷道上覆覆巖結(jié)構(gòu)

沿空巷道圍巖的整體穩(wěn)定性比實(shí)體煤巷更容易遭受到破壞，當(dāng)巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)時(shí)，能夠更好的維持巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)采礦學(xué)中的砌體梁理論，沿空巷道砌體梁斷裂結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)的一個(gè)支點(diǎn)位于本區(qū)段老頂巖層內(nèi)，另一個(gè)支點(diǎn)位于上區(qū)段采空區(qū)的冒落直接頂碎石上。當(dāng)上區(qū)段回采過(guò)后，上覆巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之后，沿空巷道位于塊體B 的下方，塊體B 兩端鉸接的狀態(tài)對(duì)工作面下的沿空巷道形成一種承載“保護(hù)”結(jié)構(gòu)。沿空巷道在這種結(jié)構(gòu)下受力較小容易支護(hù)。因此塊體B 對(duì)沿空巷道上覆巖層大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用。

圖2 沿空巷道上覆巖層斷裂結(jié)構(gòu)模式Fig.2 Fracture structure of overlying strata in gob-side entry

在工作面回采過(guò)程中，受超前支承壓力的影響，掘巷形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)再次被打破，煤柱頂板的下沉讓頂部破斷鉸接結(jié)構(gòu)得到新的變形空間，巖塊發(fā)生進(jìn)一步回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生二次變形動(dòng)壓，實(shí)體煤幫和煤柱上支承壓力增大，加速了巷道表面的位移?？刂泼褐淖冃尾粌H可以保證巷道服務(wù)期間的斷面使用要求，而且可以穩(wěn)定支撐頂板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化圍巖應(yīng)力環(huán)境，使巷道圍巖避免承受二次動(dòng)載影響，因此提高小煤柱的穩(wěn)定是控制沿空巷道圍巖的關(guān)鍵。

2.2 煤柱的寬度

沿空巷道應(yīng)布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，留設(shè)的煤柱尺寸應(yīng)滿足隔離上工作面采空區(qū)、阻止老空水倒流進(jìn)沿空巷道；盡量提高采出率，減少煤炭資源的損失。煤柱寬度的留設(shè)大于極限平衡穩(wěn)定寬度，才能形成巷道的穩(wěn)定支護(hù)。

東龐礦北井9205 工作面軌道巷煤柱兩側(cè)9201工作面采空區(qū)和9205 軌道巷，依據(jù)巷道圍巖極限平衡理論可得煤柱最小寬度計(jì)算公式，計(jì)算示意如圖3 所示。

圖3 9205 軌道巷留設(shè)煤柱示意Fig.3 Setting coal pillar of No.9205 track roadway

式中：Z1為9201 工作面回采后形成的塑性區(qū)寬度；Z2為錨桿的有效長(zhǎng)度，取1.8 m，增加15%的富裕系數(shù)；Z3為煤柱的安全系數(shù)，按0.15 ～0.35（Z1+Z2） 計(jì)算。

由式2 可以發(fā)現(xiàn)，Z1的大小與煤厚有關(guān)，煤層越厚煤柱內(nèi)的應(yīng)力極限平衡區(qū)越大，其大小與自身強(qiáng)度參數(shù)粘結(jié)力C、摩擦角φ有關(guān)。代入東龐礦北井的煤體參數(shù)，得到9201 工作面回采后形成的塑形區(qū)煤柱平衡區(qū)寬度為2.1 m，錨桿的有效長(zhǎng)度為1.8 m，則Z2=1.8×1.15=2.07 m，Z3=0.62 ～1.46 m，所以9205 軌道巷合理煤柱寬度為B=Z1+Z2+Z3=2.1 m+2.07 m+0.62 ～1.46 m，計(jì)算求得煤柱寬度為B=4.79 ～5.63 m，因此9205 軌道巷護(hù)巷煤柱合理寬度取6 m。

對(duì)待沿空巷道應(yīng)先確定合適的上覆覆巖結(jié)構(gòu)，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，是確保沿空巷道穩(wěn)定的前提；繼而選擇合理的保護(hù)煤柱厚度，在保證安全生產(chǎn)的前提下，提高采出率，減少煤炭資源的損失；對(duì)煤柱進(jìn)行必要的支護(hù)，選擇合適的支護(hù)形式和支護(hù)強(qiáng)度，提高煤柱的承載能力，限制煤柱的初期變形；在采動(dòng)過(guò)程中對(duì)超前段進(jìn)行支護(hù)，使回采工作順利進(jìn)行。

3 覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)礦壓影響的微震監(jiān)測(cè)研究

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦井煤巖破裂或其它物體在震動(dòng)過(guò)程中的微震活動(dòng)信息來(lái)研究煤巖結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的一種實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)方法，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的破壞狀況、安全狀況等做出評(píng)價(jià)，從而為預(yù)報(bào)和控制災(zāi)害提供依據(jù)的成套設(shè)備和技術(shù)[5-6]。微震監(jiān)測(cè)可以確定微震事件的坐標(biāo)位置，從而得到煤巖體破壞位置；微震事件時(shí)間的密集型能夠直觀反映煤炭開采時(shí)間變化。對(duì)微震事件活動(dòng)的特征研究有利于對(duì)采動(dòng)應(yīng)力、覆巖運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律的進(jìn)一步研究。

對(duì)東龐礦北井9205 工作面開采期間微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2021 年2 月7 日～2021 年3 月28 日，總計(jì)50 d，工作面回采軌道巷推進(jìn)95 m，皮帶巷推進(jìn)84 m。自2021 年2 月7日開始回采，以10 d 為單位對(duì)工作面的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而研究在工作面采動(dòng)過(guò)程中上覆巖層結(jié)構(gòu)對(duì)9205 軌道巷微震特征變化。把工作面一定范圍內(nèi)的微震事件以10 d 為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期表示在圖上，如圖4（a） ～4（e），圖中豎線條表示為采線，分別為2.16 日、2.26 日、3.8 日、3.18 日、3.28 日；圖中線框內(nèi)表示的9205 軌道巷附近的區(qū)域；圖中黑色點(diǎn)代表微震事件。

圖4 微震事件分布圖Fig.4 Microseismic events distribution

分析微震事件分布結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1） 正常回采過(guò)程中，微震事件總量多，軌道巷附近的數(shù)量也相應(yīng)增多，說(shuō)明微震事件的多少受采動(dòng)影響決定。

（2） 工作面開采初期，軌道巷附近微震事件分布較分散，當(dāng)軌道巷推進(jìn)到34 m 時(shí)，微震事件開始增多，說(shuō)明軌道巷在開采初期巷道穩(wěn)定性良好，便于維護(hù)；推過(guò)34 m 后，軌道巷微震事件在采線前方密集分布，分析為受超前支承壓力的影響產(chǎn)生應(yīng)力集中，圍巖應(yīng)力和能量聚集增大，圍巖變形破裂增多，從而產(chǎn)生大量微震事件，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為巷道片幫、底鼓。

（3） 隨工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)工作面初次見方的時(shí)候，9205 工作面推進(jìn)距離與工作面長(zhǎng)度在平面上投影為正方形。圍巖應(yīng)力和能量聚集增大，圍巖變形破裂增多，從而產(chǎn)生大量微震事件。在此過(guò)程中，軌道巷出現(xiàn)片幫、底鼓，通過(guò)維護(hù)，回采工作正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)沿空巷道上覆巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，巷道應(yīng)布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，得到了合理巷道布置的位置；依據(jù)圍巖極限平衡理論，9205 軌道巷護(hù)巷煤柱合理寬度取6 m。

（2） 軌道巷在采動(dòng)過(guò)程中，初期巷道穩(wěn)定性良好；在推進(jìn)34 m 后，微震事件開始增多；推進(jìn)到見方階段時(shí)，微震事件顯著增多。微震事件的發(fā)生與9205 軌道巷道圍巖變化情況基本一致。

（3） 依據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，圈定9205 軌道巷破壞范圍，驗(yàn)證護(hù)巷煤柱寬度留設(shè)合理性，同時(shí)對(duì)礦區(qū)類似條件下推廣留設(shè)小煤柱護(hù)巷積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。