大采高煤层采动状态下小煤柱留巷矿压显现规律

曹 鹏,刘如鹏

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西 延安 727307)

0 引言

我国煤炭资源浪费严重,保护煤柱损失占比近33%,而缩减保护煤柱宽度是提高煤炭资源回采率的主要途径之一[1-2]。受巷道开挖与工作面回采扰动的影响,煤柱会在一定区域内发生塑性破坏从而降低承载能力,因此,应控制煤柱的留设宽度大于塑性破坏区域[3-4]。

为探究煤柱的塑性发育范围,侯朝炯等[5]根据极限平衡理论推导出了最小护巷煤柱宽度的计算公式。常瀚文等[6]指出煤柱的塑性区存在双向发育的特征,进一步提出了煤柱的双侧塑性计算法。在实际工程中,通常采用十字布线、激光测距、锚索应力计、锚杆应力计、煤体应力计等对巷道围岩的位移演化与应力状态等进行整体观测,用以验证煤柱留设宽度的合理性[7-9]。

回采巷道围岩的监测数据与采动状态有直接联系,在以往的监测分析中,往往忽略了工作面的动态推进长度对巷道位移场与应力场演化的影响。为此,以陕西黄陵二号煤矿303工作面为工程背景,对区段保护煤柱宽度由35 m优化为17.5 m的技术工程进行全方位多尺度的监测分析,探究小煤柱优化后的回采巷道在工作面推进过程中的矿压显现规律,以验证小煤柱留设宽度的合理性,同时为后续小煤柱留设和巷道支护参数的进一步优化提供借鉴。

1 工作面布置及地质概况

黄陵二号煤矿303大采高综采工作面是矿井规划的第一个缩减保护煤柱的回采工作面。303工作面位于井田三盘区中部,西部、北部为未采区,南部紧邻301工作面,东至三盘区辅运大巷。工作面开采深度470～705 m,可采长度3 894 m,倾向长度300.5 m,留大巷保护煤柱141 m(回风巷)/330 m(胶带巷)。303工作面胶带巷与辅运巷留设17.5 m煤柱,303工作面回风巷与301采空区留设35 m煤柱,工作面及测站布置如图1所示。303工作面煤层厚度3.2～5.8 m,倾角为0°～4°。老顶为深灰色-灰黑色粉砂岩,夹细粒砂岩条带,较坚硬,抗压、抗剪强度较高,厚1.0～17.5 m。直接顶板为粉砂岩、细粒砂岩,厚度0～27 m。

图1 303工作面布置及测站布置示意

2 303辅运巷留巷监测方案

303辅运巷留巷自305切眼导硐向大巷方向布置4个测站,用于观测顶底板移进量监测、两帮移近量监测、锚索外露长度变化监测、锚索载荷变化监测。在303辅运巷留巷5联巷口煤柱侧帮部布置7个测点,用于煤柱的支承压力变化监测。

2.1 围岩表面位移监测

303辅运巷留巷自305切眼导硐向大巷方向均匀布置4个测站,间距为50 m,分别为1号、2号、3号、4号测站,每个测站采用“十字法”布置巷道表面位移观测点[10-12]。即在顶板和两帮部中部位置各设置一个200 mm深的钻孔,嵌入木楔,用激光测距仪测量顶底板和两帮距离,求出顶底板和两帮移近量。回采期间每天观测一次。

2.2 锚索外露长度与应力监测

在上述每组测站离层仪位置附近施工锚索,顶板滞后400 mm,施工1根φ21.8 mm×10 300 mm锚索,帮部滞后800 mm的位置,两帮各施工1根φ21.8 mm×4 000 mm锚索,不带锁具,回采期间每天观测一次。在上述每组测站的顶板和两帮中部各施工1根锚索,在锁具和托盘之间安装锚索载荷传感器,其中顶板锚索规格φ21.8 mm×11 200 mm,两帮部锚索规格φ21.8 mm×4 400 mm,回采期间实时监测,上传至矿压监测系统。

2.3 采动观测方案

在303辅运巷留巷5联巷口煤柱侧帮部布置7个煤柱应力监测点,用于监测回采中煤柱不同深度的支承压力,掌握回采对煤柱采动的影响程度[13-14]。钻孔深度依次为3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m,钻孔间距为1.5 m,每孔内安装1台KYS-60型煤体应力计。回采期间实时监测,上传至矿压监测系统进行数据收集。

3 303辅运巷小煤柱留巷监测结果分析

3.1 巷道表面位移监测结果分析

图2为303辅运巷顶底板累计移近量变化曲线和两帮累计移近量变化曲线。工作面超前50 m至推采过测站350 m顶底板移近量快速上升,呈对数函数的形式逐渐增加,增加速率随工作面的推进长度降低,当工作面推采过测站670 m后趋于稳定,在后续的推进过程中,巷道围岩的位移无明显变化。顶底板最大移近量为2 200 mm,平均移近量为1 700 mm。工作面超前50 m至推采过测站的190 m范围内两帮移近量迅速增加,帮部鼓起约为0.5 m。而后,帮部变形速率开始明显降低,受周期来压的影响,巷道帮部的位移呈现台阶式缓慢增加,在工作面推采过测站670 m后,除4号测站的监测数据仍有少量变化,其余测站的监测数据基本达到稳定状态,两帮最大移近量为770 mm。

图2 顶底板累计移近量变化曲线

3.2 锚索外露长度监测结果分析

利用锚索外露长度变化量分析巷道围岩深部位移,303辅运巷顶板锚索外露、煤柱侧锚索外露和采面侧锚索外露长度累计变化曲线如图3所示。

图3 锚索外露长度累计变化曲线

顶板锚索孔深10 m,两帮部孔深3.7 m。工作面在推进到测站的前120 m范围内,锚索外露长度均无明显变化,当推进过超前工作面120 m后顶板锚索的外露长度发生小幅度缩短,约为40 mm,表明工作面的采动影响范围是超前工作面120 m为起始点。超前工作面120 m至工作面推采过测站110 m范围内煤柱侧锚索外露迅速缩短,表明此阶段内煤柱内部发生了明显的塑性破坏,当工作面推采过测站410 m后锚索的外露长度发生第二次缩短,煤柱侧锚索外露最大缩短量为190 mm。工作面推采过测站200 m左右时,采面侧锚索外露长度迅速缩短,推采过测站230 m至530 m范围内采面侧锚索外露缩短速率增大,随后趋于稳定,采面侧锚索外露最大缩短量为210 mm。

3.3 锚索应力监测结果分析

利用锚索载荷变化量来分析工作面推进期间小煤柱留巷应力变化,303辅运巷顶板锚索、煤柱侧锚索和采面侧锚索载荷变化曲线,如图4所示。

图4 锚索载荷累计变化曲线

总体上,超前工作面120 m至工作面推进后270 m的范围内,锚索所受载荷的变化幅度最为明显,表明此时测点的锚索承受了剧烈的支撑压力扰动影响,波动范围的最小值为-25 kN,最大值可达115 kN。超前工作面50 m至10 m范围内顶板锚索累计载荷变化量迅速达到最大,为85 kN,随后逐渐降低,当推采过测站190 m后,载荷基本稳定。超前工作面50 m至推采过测站50 m范围内煤柱侧锚索累计载荷变化量迅速达到最大,为112 kN,随后逐渐降低,当推采过测站350 m后,载荷基本稳定。超前工作面50 m至推采过测站900 m范围内采面侧锚索累计载荷变化量逐步增加,最大为108 kN。工作面推进过测站270 m后,除采面侧的锚索载荷有显著增加的趋势,顶板与煤柱侧的锚索载荷基本趋于稳定,表明此处的围岩应力场已达到重新平衡状态,工作面继续推进对测点处应力场的影响程度逐渐消除。

综上所述,303辅运巷留巷顶板和煤柱侧帮部锚索累计载荷变化量变化趋势基本一致,但顶板锚索累计载荷变化量剧增更加迅速,达到稳定区间也更短;而采面侧帮部锚索累计载荷变化量随着推采而逐渐增大;同时,推采过测站430 m后,采面侧帮部锚索累计载荷变化量大于顶板和煤柱侧。

3.4 煤柱支承压力监测结果分析

图5为303辅运巷煤柱侧帮部支承压力变化曲线。由图可知,3 m测点应力随工作面推进缓慢变化近似于平稳状态,数值约为7.5 MPa,表明此处煤体的承载能力较强,未进入明显的塑性破坏阶段。5 m、9 m和 13 m测点应力变化规律基本一致,超前工作面220 m时支承压力逐渐增加,在超前220 m和140 m处分别达到最大值,推采过测站20～100 m后迅速降低,煤体进入塑性破坏状态,煤柱内部应力快速释放,承载能力迅速降低,由此可知超前工作面220 m以内为采动影响区域。11 m和15 m测点支承压力的初始值较低,变化规律均为逐渐减小的趋势,可推断煤柱11 m和15 m深处的煤体在进行应力监测前就已经发生了塑性破坏,由于煤体较为破裂,因此承载能力相较于其他测点的检测值较低。11 m测点在超前220 m处出现骤降,说明受采动影响后出现二次破裂,压力加速释放[13-14]。13 m测点的支承压力数值最高,监测的应力数值超过12 MPa,表明巷道围岩应力最大集中在煤体13 m深处位置。

综上,303小煤柱支承压力最大为13 m处,超前工作面220 m以内为采动影响区。11 m和15 m处在观测前已经破裂,推采过测点20～100 m后,9 m和13 m处也出现破裂,而3 m处随着工作面回采推进一直未破裂。

4 结论

(1)303回采工作面已进入小煤柱留设区域1 300 m,煤柱及留巷顶帮部完整性较好,与35 m留设煤柱相比较,小煤柱未出现大的变形和强矿压显现现象,303辅运巷留巷底鼓量达到2 200 mm,趋于稳定,顶板深部无离层现象;两帮部移近量最大为770 mm,变形趋于稳定。

(2)回采期间,采动的影响范围为超前工作面120 m。303辅运巷留巷顶板锚索累计载荷变化量最大为85 kN,煤柱侧锚索累计载荷变化量最大为112 kN,采面侧锚索累计载荷变化量最大为108 kN。顶板锚索累计载荷变化量增加速率最大、煤柱侧其次,两者均已经稳定,但采面侧帮部持续缓慢增大,当推采过测站430 m后,反超过顶板和煤柱侧。

(3)回采期间,303辅运巷留巷小煤柱3 m深处煤体未破裂,支承压力随工作面推进缓慢增大;5 m、9 m和13 m深处支承压力在超前220 m和140 m处分别达到最大值,11 m和15 m处观测前就可能存在煤体破裂,支承压力逐渐减小,前者在超前220 m处受超前采动影响后出现二次破裂,支承压力发生骤降。13 m深处的监测点是巷道围岩应力最大集中区域,承受最高的支撑压力。