经坊煤矿综放小煤柱工作面矿压监测设计及实践研究

李斌胜

(山西省长治经坊煤业有限公司,山西 长治 047100)

经坊煤矿现开采沁水煤田太原组3#煤层,煤层埋深约300 m,煤层厚度6.3 m,采用综采放顶煤工艺开采。目前，工作面开采保护煤柱设计为20 m,为提升煤炭资源回收率,拟推广应用小(无)煤柱开采技术,将3-509工作面保护煤柱由20 m优化设计为10 m煤柱。在3-509小煤柱工作面回风顺槽施工中,受到邻近工作面回采扰动影响,巷道不同区段都出现了一定程度的矿压显现。为了验证小煤柱巷道支护设计的可靠性,急需对小煤柱矿压显现规律进行监测分析[1]。目前,国内外对巷道矿压监测手段的应用研究主要集中在巷道离层监测和表面位移监测方面,多数矿井采用顶板离层监测和围岩表面位移监测技术。其在煤柱应力监测和煤柱内变形发育监测方面应用较少,因为该技术不能全面掌握煤柱内应力变化、支护锚杆受力变化及煤柱内部完整性等情况。因此，急需探索一种可靠的矿压监测设计方法,能够全面监测煤柱内的应力变化及锚杆支护强度变化,实现对围岩稳定性的超前预判,为及时变更支护设计提供依据[2-4]。本文创新性地提出利用钻孔窥视仪、锚杆无损检测仪、钻孔应力计等仪器监测煤柱内煤岩完整性、顶帮锚杆受力及煤柱应力变化情况的多种监测技术综合应用的矿压监测设计方法。通过对监测数据综合分析,更全面地掌握采动影响下小煤柱的矿压变化及煤柱变形规律,为工作面小煤柱尺寸设计提供决策依据[5-6]。

1 3-509小煤柱工作面概况

1.1 工作面位置及特征

经坊煤业3-509小煤柱工作面位于经坊煤业五采区中部,原为村庄压覆资源,现行政规划村庄搬迁后为可采资源。工作面东北侧邻近3-508工作面(目前正在回采),西侧邻近3-501工作面(已采),南侧邻近3-510工作面(规划),东侧与五采区轨道、回风巷相连通[7-9]。3-509工作面小煤柱巷道掘进施工中不仅受到煤柱变窄后的应力变化影响,同时还受到邻近工作回采动压影响,其巷道围岩应力变化情况极为复杂,需进行严密的矿压监测,分析煤柱应力变化规律,为巷道支护提供可靠的现场数据,保障工作面安全回采[10]。3-509工作面位置及井上、下关系如表1所示。3-509工作面所掘煤层属沁水煤田3#煤层,为二叠系下统山西组,煤层赋存稳定、煤质变异小、属贫瘦煤,煤层平均厚度6.38 m,煤层结构为0.3(0.1)4.74(0.15)1.09,倾角0°～3°,普氏硬度系数f=1.5。3#煤层底板等高线及3-507工作面顺槽实际揭露显示,本区域3#煤层总体向西北倾斜,煤层赋存稳定,3-5092顺槽工作面掘进时地质构造简单。3-509工作面煤层顶底板情况如表2所示。3-509工作面切眼沿倾向布置,回风顺槽和运输顺槽沿走向布置,工作面沿走向方向推进,如图1所示。

图1 3-509小煤柱工作面巷道布置图Fig.1 Roadway layout of 3-509 working face with small coal pillars

煤层名称3#煤水平名称830采区名称五采区 工作面名称3-509地面标高/m+1 001～+952底板标高/m+770～+730 地面位置位于北和村北侧、池里村西北侧、六家村东侧,地面有零星构筑物 回采对地面的影响回采后会造成地面开裂、塌陷,构筑物倒塌 走向长/m819倾向长/m170面积/m2139 230

表2 工作面煤层顶底板情况表Table 2 Roof and floor of the working face

1.2 工作面顺槽支护设计

经坊煤业3-5091运输顺槽和3-5092回风顺槽支护采用“锚杆+金属网+钢筋梁+锚索”联合支护形式。3-509工作面两条顺槽高度为3 m,为了提高煤柱的承载力,帮部锚杆每排4根,锚杆间排距为850 mm×800 mm。帮部上方第一排锚杆杆体倾斜向上施工,与水平线夹角呈15°。帮部下方第四排锚杆施工时杆体倾斜向下,与水平线夹角呈15°。

5092顺槽宽度为4.5 m,顶部锚杆每排6根,顶部锚杆间排距为800 mm×800 mm。顶板上方两排锚杆中间位置安装Φ18.9 mm×8 300 mm锚索,锚索间排距为2 000 mm×1 600 mm。锚索距巷帮的距离为1 250 mm。顶部和帮部锚杆预紧力均为350 N·m,锚固力160 kN。

留设10 m小煤柱后,巷道会出现塑性变形,可能影响帮部锚杆发挥锚固作用,使其出现脱锚等现象,因此仍然需要对煤柱侧采取补强支护措施。在10 m煤柱内安装Φ18.9 mm×6 500 mm帮部锚索,每排2根,间排距为1 000 mm×1 600 mm;锁具以外150～250 mm之间为锚索外露端。两根锚索分别距顺槽底板1 400 mm和2 400 mm。支护设计如图2所示。

图2 3-5091运输顺槽和3-5092回风顺槽支护设计图Fig.2 Supporting design of 3-5091transportation gateway and 3-5092 return air gateway

2 矿压监测

2.1 矿压监测方案设计

经坊煤矿3-5091运输顺槽、3-5092回风顺槽掘进过程中煤柱宽度从20 m缩短为10 m,需要进行矿压观测,保证安全生产。巷道监测的主要参数包括:巷道围岩表面位移、锚杆受力状态、围岩深部变形与位移以及煤柱受力情况等。通过巷道矿压监测,可比较全面地了解锚杆支护的工作状态,掌握小煤柱的矿压变化及煤柱变形规律,进而验证或修改支护初始设计,保证巷道处于安全状态。在经坊煤业3-5091运输顺槽及3-5092回风顺槽各设置5个监测站,监测掘进期间的巷道表面位移、顶板离层、锚杆(索)受力和煤柱应力变化,每个监测站间隔50 m。煤柱调斜的交汇区域和508采空区水仓区域巷道所受到的扰动较大,需要进行重点观测,如图3所示。

图3 经坊煤矿3-5091运输顺槽矿压测站布置Fig.3 Mine pressure measuring station location of 3-5091 transportation gateway in Jingfang coal mine

2.2 钻孔应力计测点布置

为了探究煤柱内不同深度的应力变化,在3-5081运输顺槽590 m位置处安装3 m、4 m、10 m等3个不同深度的钻孔应力计,在3-5082回风顺槽590 m位置处安装5 m 的钻孔应力计;在3-5081运输顺490 m位置处安装1 m、8 m、10 m等3个不同深度的钻孔应力计;在3-5092回风顺槽280 m位置处安装2 m、3 m、5 m等3个不同深度的钻孔应力计,钻孔应力计及安装如图4所示。

图4 3-5092顺槽煤柱钻孔应力监测Fig.4 Stress monitoring of coal pillar drilling in 3-5092 gateway

2.3 锚杆无损检测测点布置

由于迎采动工作面掘进巷道过程中,工作面与掘进迎头相遇会出现顶板冒落或巷道帮部变形等现象,因此需要对这一时期的顶板和帮部进行监测。选取3-5092顺槽273～293 m和3-5082顺槽 266～286 m2个区间,每个区间选取10个测点,监测巷道帮部和顶部锚杆的受力情况。3-5082顺槽273 m处存在1个5 m×5 m×2 m 的水仓需要进行重点监测。

2.4 巷道表面位移监测点布置

巷道表面位移采用“十”字布点法安设监测断面,如图5所示。在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻孔,安装木桩、测钉等测量基点。1个测站布置2个监测断面,沿巷道轴向间隔 0.6～1.0 m。监测时测取AO、AB和CO、CD值,也可以测量AC、AD、CB、BD值。在3-5082回风顺槽和3-5092回风顺槽280 m处布置2个测点,监测巷道在迎采送掘过程中的表面位移变化情况。

图5 巷道表面位移监测断面Fig.5 Monitoring section of roadway surface displacement

3-5092顺槽掘进至280 m。安装应力计需要在煤柱侧进行钻孔，使用的钻头直径为Φ42 mm。为了进行钻孔窥视煤柱内部，在280 m位置处钻取一个8 m的窥视孔，查看钻孔内岩体裂隙情况，并且对离层变化和裂隙几何参数进行测量。

3 矿压监测结果综合分析

2021年7月进行了3-508工作面回采与3-5092顺槽掘进迎头相遇的现场矿压观测,统计了煤柱内不同区域的垂直应力变化情况,顺槽顶板和帮部的锚杆工作载荷,巷道围岩变形情况以及煤柱内裂隙节理发育情况。通过对数据的处理与分析,进一步探究煤柱的合理尺寸。

3.1 煤柱内应力变化结果分析

3-508工作面埋深230 m，容重取25 kN/m3，上覆岩层顶板施加给煤柱的垂直应力为5.75 MPa。3-5081运输顺槽煤柱侧应力如图6所示。其中顺槽590 m处3 m、4 m、10 m钻孔应力计设置较早，在工作面回采时已设置，监测周期为260 d，顺槽490 m处1 m、8 m、10 m煤柱钻孔应力计在3-5092顺槽掘进后新设置，监测周期为65 d。

(a)5081运输顺槽590 m

(b)5081运输顺槽490 m图6 3-5081运输顺槽煤柱内应力变化曲线Fig.6 Curves of internal stress of coal pillars in 3-5081 transportation gateway

从图6中可以看出，3-5081顺槽590 m处3 m煤柱的应力变化最为明显，应力变化量高达16.75 MPa，4 m处应力变化量仅为1.64 MPa，10 m处应力变化量相比于4 m处有所增加，最大应力变化量为2.26 MPa。3-5081顺槽在490 m处煤柱8 m位置的应力变化量为2.82 MPa，10 m煤柱的应力集中变化量为2.63 MPa。

综上分析，3-5081运输顺槽煤柱侧在3 m处存在明显的应力集中，位于极限平衡区。随着煤柱宽度的增加，应力集中程度出现大幅度降低。4 m煤柱处的应力变化量最小。8～10 m煤柱应力峰值相较于4 m位置反而出现上升，其原因一方面由于4 m处位于煤柱弹塑性变形区，发生塑性破坏，一部分弹性势能得到释放。另一方面传统20 m煤柱存在弹性核区，应力分布呈现马鞍形。8～10 m煤柱位于弹性区，承担煤柱顶板上覆岩层的压力。

2020年8月—2021年3月下旬,3 m煤柱内应力变化量为5.77 MPa,如图7所示。

(a)5081顺槽590 m处煤柱侧3 m

(b)5081顺槽590 m处煤柱侧4 m

(c)5081顺槽590 m处煤柱侧10 m图7 3-5081运输顺槽590 m处煤柱每月应力变化曲线Fig.7 Monthly stress curves of coal pillars at 590 m along3-5081 transportation gateway

每月煤柱应力均呈现平稳缓慢增加的现象,月平均应力变化量为0.37 MPa。从2021年4月5日开始应力开始增加,4月18日应力达到峰值16.75 MPa,2个月的应力变化量为10.98 MPa。

随着工作面距离测点越来越近,应力经历了先下降又上升的情况,表明煤柱处于弹塑性状态,仍具有一定的承载力。当工作面接近测点时,回采扰动重新使煤柱应力增大至4.58 MPa。

3.2 锚杆无损检测结果分析

2021年7月15日,3-508工作面推进至321.6 m,3-5092回风顺槽掘进长度为308 m。掘进迎头与工作面相距13.6 m。为避免小煤柱两侧同时施工引发安全生产事故,决定停止3-5092顺槽掘进,3-508工作面以2～2.7 m/d 的回采速度正常回采。截止到7月28日,工作面推进至294 m。7月矿压观测期间,3-5082和3-5092顺槽顶板和帮部锚杆被重点监测,采集的数据经过整理,绘制成锚杆工作载荷与空间位置关系曲线,如图8所示。

(a)5082回风顺槽286 m顶部

(b)5082回风顺槽286 m帮部

(c)5092回风顺槽293 m顶部

(d)5092回风顺槽293 m帮部图8 3-5082与3-5092顺槽顶部和帮部锚杆工作载荷与距工作面位移变化曲线Fig.8 Curves of top bolt working load and displacement from working face of 3-5082 gateway and 3-5092 gateway

3-5092顺槽帮部和顶部锚杆的工作载荷均普遍小于3-5082顺槽的锚杆工作载荷。顺槽内锚网索支护系统需要经历掘进阶段和回采阶段的扰动,工作载荷在回采阶段达到峰值。通过对两条顺槽的锚杆工作载荷的监测,锚杆最大的载荷值为100 kN。目前使用的锚杆额定工作载荷可以达到160 kN,存在较大的富裕系数,因此目前的支护强度完全可以达到保护安全生产的需求。

3.3 巷道围岩变形监测结果分析

在工作面相遇过程中，7月15日，实测3-5082顺槽测点宽度为471 cm，高度为315 cm；3-5092顺槽测点宽度为448 cm，高度为247 cm。7月28日，实测3-5082顺槽测点宽度为462 cm，高度为307 cm；3-5092顺槽测点宽度为443 cm，高度为243 cm。工作面矿压观测期间的巷道围岩变形量变化如图9所示。

图9 3-5082顺槽与3-5092顺槽围岩变形变化曲线Fig.9 Deformation variation curve of surrounding rock of 3-5082 and 3-5092 along channel

3-508工作面尚未与掘进迎头相遇前,两条巷道的变形量处于平缓增加的状态。工作面相遇过程

中,3-5082顺槽的围岩变形量大于3-5092顺槽的变形量。此现象表明工作面回采影响对3-5082顺槽的影响较大。3-5082、3-5092顺槽两帮变形量大于顶板变形量。由于煤柱尺寸由20 m改为10 m,帮部出现一定的塑性变形,可以使积聚在煤柱的弹性能得到释放,有利于巷道的维护。

3.4 钻孔窥视结果分析

3-5092回风顺槽280 m 煤柱钻孔窥视,钻孔长度为8 m,孔径为42 mm。结果显示浅部的煤体较为破碎,深部煤体维持着较好的完整性。

钻孔0～1 m位置处属于浅部煤体,0～0.6 m的煤体受到掘进扰动影响,整体较为松散破碎。1～2 m的煤体中发育有一个大的空洞,2～5 m煤柱内伴随着部分横向与纵向裂隙。煤柱5～8 m内围岩条件良好,无节理与裂隙,具备较好的承压能力。

4 结论

通过采集回采工作面与掘进巷道相遇阶段采动影响下的矿压数据,论证了10 m小煤柱的安全性,检验了新型巷道支护方案的可行性。主要的结论与建议有以下几点:

1)通过对3-5082和3-5092顺槽的锚杆工作载荷进行监测,工作面的超前采动影响范围在30～35 m左右,回采时期的3-5082顺槽锚杆工作载荷大于3-5092顺槽掘进时期的工作载荷。帮部锚杆的工作载荷大于顶板锚杆的工作载荷。3-5082顺槽回采时期锚杆的最大工作载荷达到97 kN,远远小于锚杆的额定工作阻值160 kN,因此巷道支护存在较大的富裕系数,可以适当降低支护强度。

2)工作面与掘进迎头相遇的过程中,煤柱内应力和锚杆的工作载荷呈现上升的趋势。由于3-5092顺槽进行了补强支护,因此总体应力变化和工作载荷变化均在可控范围内,矿压观测期间未出现巷道片帮和顶板冒落等现象。

3)通过锚杆工作载荷仍有较大富裕系数,5～10 m范围内煤柱应力变化较小,巷道围岩变形量小等3个方面反映了煤柱尺寸有进一步优化的可能性。为了提高煤炭采出率,建议适当调整煤柱尺寸,可尝试将煤柱缩短至6～8 m。

4)3-5092顺槽在回采时期的围岩变形量大于掘进时期的变形量,重新优化煤柱尺寸后仍需要加强矿压观测,做好补强支护工作。