基于矿压监测的浅埋临空巷道煤柱稳定性研究

2022-02-17王刚

煤 2022年2期

王刚

(山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西临汾 041207)

近年来，我国矿山行业发展迅猛，但煤矿的开采仍旧不乏重大安全事故的发生，给国家和人民的生命财产安全带来了严重的损害，由矿压引起的事故发生率尤为突出，落后的矿压监测手段及数据上传的滞后性都给煤矿带来了巨大的隐患[1]；同时，煤炭资源的高效利用也备受关注，目前中国煤矿的整体平均回采率仅为发达国家的一半，传统留设的厚煤柱造成了资源的极大浪费，也不符合可持续发展的利益需求。采用先进的矿压系统不仅可以有效避免矿压灾害的发生，同时对于煤柱宽度的合理留设也具有指导意义。

1 煤层概况及矿压监测设备

1.1 工作面概况

黑龙关11号煤层厚度6.76～7.95 m，平均7.45 m，含2～4层夹矸，顶板为石灰岩，底板为泥岩。目前正在回采的11602工作面南部11601采空区，北部为11603准备工作面，11602工作面沿煤层底板掘进，宽度为200 m，走向长度1 400 m，该工作面回风巷道为宽×高=4 m×3 m的矩形，运输巷道为宽×高=5 m×3 m的矩形，护巷煤柱留设宽度20 m，均采用锚网索进行联合支护。

1.2 矿压监测设备

黑龙关煤业井下采用的矿压监测系统为KJ533型煤矿顶板动态系统，该系统用于煤矿顶板运动各参数的计算机在线测量系统。

系统将计算机检测技术、无线和有线数据通讯技术和传感器技术融为一体。实现了复杂环境条件下对煤矿顶板的自动监测和分析、预警。通过监测系统及时回传数据进行自主化分析，自动识别判定巷道围岩安全性，支护的稳定性和可靠性，锚杆或支架的工作状态等。其动态系统监测示意如图1所示。

整套系统监测包括综采支架工作阻力监测，巷道顶板位移监测、顶底板移近量监测、巷道锚杆(索)应力监测、巷道钻孔应力监测。利用其安全可靠的长距离通信，时延短以及低功耗的特点，以实现对矿压的监测与预警。

2 矿压监测方案的布置

2.1 矿压监测的目的

黑龙关煤业二水平11号煤层正处于初期回采阶段，其首采工作面11601综放工作面由于实际走向长度仅为820 m，且开采条件四周均为实体煤，其矿压数据的分析对于下一个临空的回采工作面的借鉴意义甚小，故该监测方案布置具有以下目的。

1) 掌握11602工作面回采过程中的回采巷道矿压分布特征及变化规律、巷道围岩表面移近量，护巷煤柱内部垂直应力变化情况，为接下来回采的相邻工作面间的煤柱合理留设宽度提供指导借鉴。

2) 了解巷道在采动影响下的变形情况，根据矿压数据的分析提前制定巷道的补强措施，保证巷道的正常使用[2]。同时为邻近工作面巷道提供更为合理的支护优化方案。

2.2 监测方案

在11602工作面巷道共布置4个测站，1号测站在11602工作面运输巷道距开切眼270 m处，3号测站在11602工作面运输巷道距开切眼850 m处，4号测站在11602工作面运输巷道距开切眼1 430 m处，2号测站在11602工作面回风巷道距11601工作面开切眼420 m位置处，开始每隔5 min向地面传输一次监测数据，图2为测站的位置布置示意。

图1 KJ533煤矿顶板动态监测系统结构示意

图2 矿压监测测站布置位置示意

每个矿压监测测站分别布置顶板锚索应力计、顶板锚杆应力计、顶板离层仪、煤柱帮锚杆应力计、煤柱帮钻孔应力计各1个，测站布置设备如图3所示。

图3 矿压观测站设备布置示意

定期对4个测站中的顶板离层仪、围岩应力计和锚杆/索应力计进行读数、记录和分析。从而确定11602工作面护巷煤柱宽度和支护方式的选择是否合理，围岩控制能否满足工作面正常生产要求，为黑龙关煤业之后开展小煤柱护巷提供科学依据，提高煤炭采出率和经济效益。

3 实测数据的处理与分析

3.1 初期回采阶段监测数据分析

工作面初采期间，构造发育明显，顶板多为黄泥矸土且极为破碎，工作面割煤引起后方顶板大量漏矸，严重影响割煤进度；同时回传数据中顶板离层仪、钻孔应力计、锚杆应力计的数据几乎无变化，锚索受力在超前工作面80 m处开始增加，初步判定11602综放工作面的超前支承压力的扰动范围为煤壁前方80 m处[3]。着眼于此情况，采用三维坑透技术对11602工作面进行了坑透。

结果显示，距切眼850 m范围内的煤层顶板多处出现异常，顶板完整性差，企业决定切眼850 m范围内不进行放煤工作，1号测站位置恰好位于顶板异常区内，故1号测站基本无效。

3.2 回采中期矿压分析

工作面回采至距3号测站15 m时，拆除3号测站并对回传数据整理分析，顶板离层量变化曲线、钻孔应力变化曲线、锚杆索应力变化曲线如图4所示。

图4监测数据显示，工作面推进至距3号测站100 m前，顶板离层量始终维持在1.5 cm随着回采的推进，顶板离层量呈持续上升趋势，测站拆除前顶板离层量达到峰值40 cm。从巷帮钻孔应力上传数据可知，工作面推进距测站120 m前，巷道围岩应力基本未发生变化；随着距测站的距离进一步缩短，围岩应力减小，考虑是在地应力持续作用下，巷帮煤体进入塑性状态；3号测站进入工作面超前应力影响区范围内，巷帮松散的煤体又在回采扰动下重新压实，应力骤升，在到达3号测站前方15 m处达到峰值7.1 MPa，直至拆除测站前，下降至4.5 MPa，这说明工作面即将回采至测站处时，巷道煤柱帮3 m范围内煤体并未完全进入塑性状态。对比锚杆索间的应力变化情况可知，在推进至距测站125 m前，锚杆索受力基本未受影响；工作面推进距测站90 m开始异动，均在工作面距测站18 m左右达到应力峰值。

上述3号测站实测数据表明，11602综放工作面超前支承压力影响范围约90 m，其峰值位置一般在煤壁前方18 m处，且锚索、顶锚杆、帮锚杆在超前应力峰值点处分别达到134 kN、97 kN、107 kN，支护体系足以承载工作面回采引起的应力扰动。

3.3 末采阶段前矿压分析

2号、4号测站距停采线约30 m，工作面即将进入末采阶段，当班作业完成后拆除测站，并对两个测站回传数据进行比较分析。

对比图5两测站顶板离层情况发现，4号测站在150～100 m过程中累计离层13 cm，2号测站未发生明显离层，认为是11603工作面运输巷道的存在及本工作面回采扰动的共同作用对测站围岩产生了影响；当工作面推进至距测站25 m时，两测站顶板离层量均骤升直至测站拆除，2号、4号顶板离层量分别为40 cm和50 cm，仍在可控安全范围内，因此留设20 m区段煤柱能够保证两侧巷道的顶板稳定[4]。

图5 11602工作面距2号、4号测站不同距离时顶板离层量变化情况

分析图6两测站的围岩应力变化情况发现：在距两测站150～100 m推进过程中，4号测站巷帮围岩在下个工作面已掘且处于稳定阶段的巷道和工作面的回采双重影响下出现应力波动，2号测站无明显变化。在推进至距测站50 m时，受工作面超前支承压力影响，围岩应力均上升，煤柱帮峰值均在7 MPa左右，可以看出留设20 m煤柱下的沿空巷道并未对煤柱帮围岩造成大幅影响，且20 m煤柱能够保证其在上区段工作面回采及沿空巷道的掘进作用下保持稳定状态。

图6 11602工作面距2号、4号测站不同距离时围岩应力变化情况

从图7锚杆索的受力情况分析，仍可以验证上述观点，即在回采工作面及沿空巷道的影响下[5]，4号测站的锚杆索应力均出现30%左右的增幅，随着掘进扰动稳定锚杆索受力开始下降，2号测站不在沿空巷道扰动范围内，故未出现明显波动；在距测站50 m时，回采扰动显著，应力均大幅增加，两测站锚杆索应力峰值基本相同且在合理范围内，进一步证实了20 m宽的区段煤柱足够保证工作面的正常推进，且煤柱宽度存在优化空间[6]。