华烨煤业沿空留巷矿压监测系统的应用与研究

2023-05-30赵文宝贾永强王艳龙

煤炭与化工 2023年4期

赵文宝，贾永强，王艳龙

（1.开滦集团矿业工程有限责任公司矿山运营分公司，河北唐山 063000；2.山西临县华烨煤业有限公司，山西吕梁 033000；3.山西银锋科技有限公司，山西太原 030000）

0 引言

文献[1-2]阐述了中国矿业科学技术三次变革及代表性理论，着重分析以“切顶短壁梁”为理论基础的长壁开采110 工法概念及其关键技术。文献[3]分析了店坪煤矿切顶卸压留巷矿压规律，通过巷道表面位移观测，巷道顶板离层监测，恒阻锚索受力和变形量监测，工作面支架压力监测，留巷临时支护支架压力和缩量监测，采空区挡矸侧向压力监测6 个方面的矿压监测结果，得出了在滞后工作面160 m 以后留巷基本趋于稳定的结论，为沿空留巷矿压监测结果的分析提供了方法。文献[4]通过数值模拟、工程实践，对最佳的切顶高度和切顶角度进行验证，理论分析了在不同切顶角度和切顶深度条件下矿压规律的显现，为类似条件矿井分析切顶卸压自动成巷矿压显现规律及围岩控制提供了借鉴。文献[5]介绍了一种无煤柱自成巷实时在线监测系统，实现了实时、精确及科学的监测系统进行现场数据的收集、监测及反馈，为后续开展无煤柱自成巷开采技术提供了科学数据支撑，具有借鉴意义。无煤柱自成巷110 工法是一种技术先进、成熟可靠沿空留巷技术。

1 概况

华烨煤业4 号煤层平均厚度为2.2 m，4105 工作面4 号煤上覆岩层依次为0.3 m 的泥岩、9.3 m的泥岩及砂质泥岩、14 m 的泥岩及粉砂岩，底部为0.7m 的泥岩和5 号煤。煤层倾角较小，倾角2°～8°，属近水平开采煤层，结构较简单。4105工作面走向长度为1 746 m，倾向长度为199 m。

4105 回风顺槽采用无煤柱自成巷110 工法沿空留巷技术，巷道断面为矩形，净宽4 800 mm，净高2 700 mm，采用锚网索支护。留巷补强支护采用恒阻大变形锚索+槽钢设计，如图1 所示。

图1 补强支护参数Fig.1 Reinforcement support parameters

2 矿压数据分析

4105 回风顺槽留巷段每50 m 布置1 个测站，每个测站由1 套围岩移动传感器、1 套恒阻锚索应力传感器、1 个巷道变形量观测点、1 套单体支柱受力及缩量监测系统组成，顶底板移近量监测设备根据实际情况进行布置。4105 工作面内每隔7 架安设1 个顶板在线监测装置，随时进行支护质量和顶板监测，工作面两端头附近支架布置有测点。

2.1 工作面支架压力监测分析

根据工作面110 工法工程分区情况，每隔5 个液压支架布置1 个压力监测分站，共27 个液压支架进行矿压监测。

根据4105 工作面切顶卸压切顶留巷工程分区情况，选择留巷侧支架、中部支架、未切顶侧支架3 区域液压支架进行矿压监测，如图2 所示。

图2 工作面液压支架工作阻力监测区域划分Fig.2 Monitoring area division of hydraulic support working resistance

矿压监测过程中，顶板离层值变化曲线如图3所示。

图3 顶板离层值变化曲线Fig.3 The variation curve of roof separation value

由上述支架压力变化曲线分析得到工作面支架工作阻力情况，见表1。

表1 工作面支架工作阻力Table 1 Working resistance of face support

留巷侧切顶卸压影响区支架较工作面中部支架最大工作阻力减小1.5 MPa，减小约4%；留巷侧切顶卸压影响区支架较未切顶侧影响区支架最大工作阻力减小2.8 MPa，减小约7%。

支架工作阻力减小，表明顶板在定向预裂切缝的影响下，直接顶破断垮落后，形成碎涨的矸石通常可以将采空区充满，基本顶发生回转的空间较小，因此回转变形也较小，进而对沿空留巷直接顶产生的压力也较小。

由图表可知，切顶留巷侧周期来压步距12.4 m，中部周期来压步距9.8 m，未切顶侧周期来压步距12 m。

2.2 锚索受力变化规律分析

根据工作面推进情况现场施工进度，收集分析M1～M7 共计7 个锚索应力计，其位置分别距4105工作面开切眼1 750、1 700、1 650、1 600、1 550、1 500、1 450 m。其中M1～M7 锚索应力计的锚索应力值变化曲线如图4 所示。

图4 锚索应力值变化曲线Fig.4 Stress value change curve of anchor cable

通过曲线分析可以得到锚索应力变化的具体情况，其中锚索应力变化曲线关键位置及最大拉应力情况见表2。

表2 锚索应力变化曲线关键位置及最大拉应力Table 2 Key position and maximum tensile stress of anchor cable stress change curve

由上述图表分析可知：

（1）工作面的推进产生的超前集中应力对锚索受力产生影响，超前影响范围约为20 m。

（2）滞后工作面约10 m，随着基本顶周期性断裂，锚索应力出现减小情况；结合顶板离层仪监测情况，锚索应力整体随顶板围岩变形量增加呈增加趋势；滞后工作面大于100 m 后锚索应力增长变缓，最终在滞后工作面200 m 时趋于稳定。

2.3 顶板离层变化规律分析

根据工作面推进情况现场施工进度，共收集分析7 个顶板离层监测点，其位置分别距4105 工作面开切眼1 750、1 700、1 650、1 600、1 550、1 500、1 450 m。根据顶板离层监测情况，其中L2～L7 共7 个区段顶板离层监测点顶板离层值变化曲线如图5 所示。

图5 顶板离层值变化曲线Fig.5 The variation curve of roof separation value

通过曲线分析可以得到顶板离层变化的具体情况，其中顶板离层变化曲线变化关键位置及顶板离层最大值情况见表3。

表3 顶板离层变化曲线关键位置及顶板离层最大值Table 3 Key position of roof separation change curve and maximum value of roof separation

（1）工作面的推进对巷道顶板离层基本上未产生明显的影响，局部位置在滞后工作面9～20 m出现离层现象，顶板离层量最大为154.3 mm。

（2）工作面回采过后，局部出现顶板离层的位置，离层值在滞后工作面40 m 后趋于稳定。

3 应用成果

从目前留巷的效果及矿压监测数据来看，工作面周期来压步距为12 m，采用切顶留巷技术后来压强度有了明显减弱，留巷段顶板基本无变形，在顺槽1 400 m 有范围40 m 左右的一段留巷受断层影响，底鼓600 mm，顶板有明显的离层150 mm，留巷整体达到了预期效果，在工作面回采阶段持续跟进矿压监测系统数据，并根据顶板岩性条件变化，及时调整方案，进一步分析矿压监测系统数据，优化补强支护及滞后临时支护回撤方案。