深部矿井开采巷道地压与位移检测研究

李正胜，苗胜军，任奋华，杨文亮

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.阳煤集团和顺新大地煤业有限公司，山西 和顺 032700)

在煤层的深部开采中，在工作面的前方会出现较大的支撑压力，造成巷道围岩的变形，并且支撑压力和巷道围岩的变形会随着工作面的推进不断的移动和变化，对安全开采危害很大[1]。所以我们需要掌握在深部开采过程中巷道围岩压力的分布和变化规律，从而确定开采动态过程中围岩压力和巷道变形的影响区域，选择合理的巷道位置，确定煤柱尺寸，对巷道围压实行有效地管理和控制，确保巷道围岩的稳定性[2-3]。

1 工程概况

吕家拓井工矿位于河北省唐山市古冶区境内，西距唐山18km，北距古冶9km，地理坐标为东经118°24′，北纬39°40′井田含煤地层属二叠系下统和石炭系上统，含煤20余层。矿井采用立井多水平集中大巷上山开拓。煤层群联合开采，主要井巷一般布置在煤层群最下可采煤层(12煤层)底板以下20～70m的灰色中粗砂岩深灰粉砂岩层内，原煤生产主要集中在-800水平，为-800三采、四采里、八采(-600出煤)，而-950水平只有一个采区(首采)且-950水平正在延深中，井田内断裂构造发育，主要煤层局部节理和裂隙发育，矿山压力显现比较明显，对支护带来不利影响，矿山压力大和断裂构造发育是本矿井地质条件的显著特点，对矿山安全生产影响较大。对于矿山生产来说，及时、准确、全面地获得矿山压力信息，并从中分析和掌握采煤工作面的矿压规律是非常必要的。以此指导生产，是保证矿山安全生产的重要技术。

2 工作面支撑压力测量

2.1 检测方法

地下采煤破坏了采动空间周边煤岩体的应力平衡，引起煤岩体内部应力的重新分布。重新分布后的应力超过煤岩体的极限强度时，使地下巷道或采煤工作面周围的煤岩体破坏，并向已采空间移动，直到达到新的应力平衡。对于矿山生产来说，及时、准确、全面地获得矿山压力信息，并从中分析和掌握采煤工作面的矿压规律是非常必要的[4-5]。为了监测采煤过程中由于采煤扰动引起采场周围岩体和煤体应力的变化规律，采用KSE-II-1型钻孔应力计对区域内采煤工作面进行现场应力监测，以便从中找出矿压规律，指导实际生产工作。KSE-II-1型钻孔应力采用充液膨胀的钻孔应力枕特殊结构形式,专用于煤、岩体内相对应力的测量。

2.2 测点布置

如图1所示，在6177采面机巷煤体侧进行煤体应力监测，共安设钻孔应力计8个。于巷帮中部并排打孔，孔径45mm，测站间距为10～15m，钻孔深度为10～14m。

图1 6177采面及矿压监测位置示意图

2.3 检测结果

根据测量结果，计算出各测点在各时间对应的钻孔压应力，绘出应力值随测点与工作面的距离变化关系曲线图，见图2。

图2 钻孔压应力与工作面距离关系图

3 岩巷围岩变形监测

为了研究工作面开采过程中巷道围岩变形规律，如图1所示，在靠近己6177采面最近的运输巷道设置3个断面，断面间距为60m，分别进行巷道顶板岩层位移监测及巷道断面收敛变形[6-8]。

3.1 巷道顶板岩层位移监测

监测方法及测点布置。巷道顶板岩层位移采用BOF-EX型钻孔多点位移计监测，获取监测孔不同高程处顶板岩层位移量，从而确定顶板岩层变形规律。BOF-EX型多点位移计测孔孔径76mm，可测模块数1～10个，测量精度0.01mm。如图3所示，每个断面测孔安装3个多点位移计，各断面1#、2#、3#位移计安装深度分别为16m、12m、8m。

图3 顶板位移测孔及断面收敛基线位置示意图

巷道顶板岩层位移测量结果。通过对监测数据进行分析，各断面多点位移计监测点下沉量随时间变化的曲线如图4所示。

3.2 巷道断面收敛测量

断面收敛测量方法及测点位置断面收敛测量采用JSS30A-30数显收敛计，该收敛计量测基线长度为0.5～15m，读数精度为±0.01mm，量测精度±0.05mm。巷道量测断面位置及测量基线位置分别如图1和图3所示。

根据测量结果做出3个断面各测线的收敛变形值曲线如图5所示。

图4 顶板多点位移计监测结果

图5 断面各测线的收敛变形值曲线

4 吕家拓矿深部矿压显现规律

根据现场多源动态监测结果，得到吕家拓矿深部开采矿压显现规律。

1)图2显示了随着回采工作面推进而接近压力监测点时，监测点所测压力值开始是稳定的，然后逐步增高，超过峰值后下降。在采煤工作面前方0～20m的范围内应力是上升的；最大支承压力位于采煤工作面前方10～20m的范围内；超过最大支承压应力点后，应力值逐步减小；在80m以外，应力趋于稳定[9]。测得最大支承压应力为43MPa，现场实测6177机巷的垂直应力为12.14MPa。最大支承压应力为垂直应力的3.54倍。

2)由各断面多点位移计监测点下沉量随时间变化的折线图很好的反映了巷道顶板和围岩内部8m和12m处的下沉值。同时得出：①各断面孔口的下沉量最大，3#测点次之，2#测点最小②各断面孔口的下沉量比较的接近，最大达到20mm；各测点的位移和下沉量呈现不断增加的趋势。因此回风上山顶板有向不稳定发展的趋势，为控制不利趋势，保证巷道的稳定和正常运行，必要时需进行二次支护。

3)由图5所示，回采过程中，邻近巷道围岩变形经历了3个阶段：①当测点离回采工作面较远时，变形缓慢增长；②随回采工作面推进，变形急剧增长，最高收敛速率达0.7mm/d，持续约50d，期间累计变形量达巷道围岩总变形量50%以上；③随着工作面继续推进，变形缓慢并逐步趋于稳定，当收敛速率小于0.1mm/d时，巷道围岩趋于稳定。

[1] 姜福兴.矿山压力与岩层控制[M].北京: 煤炭工业出版社, 2004.

[2] 杜计平, 苏景春. 煤矿深井开采的矿压显现及控制[M].徐州: 中国矿业大学出版社，2000.

[3] Miao, S.J., Lai, X.P., Zhao, X.G., & Ren, F.H. 2009. Simulation experiment of AE-based localization damage and deformation characteristic on coving rock in mined-out area [J]. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 16(3): 255-260.

[4] 谢广祥, 杨科, 常聚才，等. 综放采场围岩支承压力分布及动力灾害的层厚效应[J]. 煤炭学报, 2006, 31(6): 731-735.

[5] Toderas, Mihaela. The evaluation of the pressure’s manifestations of stress due to the surrounding main horizontal mine workings at Valea Jiului area, according to the knowledge of the rheological behaviour of the surrounding rocks [J]. Journal of Mines, Metals and Fuels, 2006, 54(12): 300-304.

[6] 滕永海, 阎振斌. 采动过程中覆岩离层发育规律的研究[J]. 煤炭学报, 1999, 24(1): 25-28.

[7] Majcherczyk Tadeusz, Makowski Piotr, Niedbalski Zbigniew. Speed of roof rock separation and a type of working’s support [A]. New Technological Solutions in Underground Mining International Mining Forum [C]. Taylor and Francis/ Balkema, 2006.

[8] 苏华友, 杨有玉. 隧洞施工中围岩收敛观测及分析[J]. 中国矿业大学学报, 2002, 31(2): 198-203.

[9] 蔡美峰. 平顶山八矿基于矿压观测的安全管理信息系统研究[R]. 北京: 北京科技大学, 2008.