上覆岩层阶段性活动规律实测研究

上覆岩层阶段性活动规律实测研究

王成1，韩亚峰1，杜泽生2

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

[摘要]为得到桃园煤矿上行卸压开采上覆岩层活动规律以及巷道工程开挖时机，采用长度137m深孔位移监测和受采动巷道围岩收敛监测等多种手段相结合，长期跟踪覆岩活动情况。结果表明：上覆岩层活动具有阶段性，第一阶段为活动剧烈期，以裂缝带内岩层活动为主，持续时间约90 d；第二阶段为活动缓和期，以弯曲下沉带内岩层活动为主，持续时间约75 d；之后为岩层活动稳定期；受采动影响的巷道呈阶段性滞后响应特征；上覆岩层活动稳定时间为采后165 d，巷道开挖最佳时机为采后165～180d。

[关键词]上覆岩层；岩层活动；阶段性；稳定时间

[中图分类号]TD322[文献标识码]A

[收稿日期]2014-05-27

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.018

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51304065，51274088)；河南理工大学博士基金资助项目(B2012-064)

[作者简介]王成(1984-)，男，安徽含山人，博士，副教授，现从事矿压理论及其控制技术、深井煤与瓦斯共采方面的研究。

Monitoring of Periodical Movement Rule of Overlying Strata

WANG Cheng1, HAN Ya-feng1, DU Ze-sheng2

(1.Energy Science & Engineering School, Henan University of Science & Technology, Jiaozuo 454003, China;

2.Henan Provincial Coal Science Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In order to obtain overlying strata movement rule of up-mining for pressure relief and excavation opportunity, 137m deep bore-hole displacement monitoring and surrounding rock convergence monitoring of roadway were applied to long-timely tracing surrounding rock movement.Monitoring result showed that overlying strata movement took on periodical characteristic, the first stage was strong movement stage of rock within fissure zone which continued about 90 days, the second stage was movement remission stage of rock in bending and subsidence zone which continued about 75d, afterwards, rock movement started to be stable.Roadway influenced by mining activity responded subsequently with this periodical characteristic.Stability time of overlying strata was 165 days after mining and rational excavation time of roadway was 165-180 days after mining.

Keywords:overlying strata; rock strata movement; stage; stability time

[引用格式]王成，韩亚峰，杜泽生.上覆岩层阶段性活动规律实测研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：60-63.

煤层群的开采顺序是煤层群开采中至关重要的问题之一[1-5]，一般来说，应当按照由上而下的开采顺序进行，以避免开采顺序改变对上覆未被开采煤层和井巷工程的大面积采动破坏。但是，有时往往因为矿井生产接替关系的需要，或者为了释放应力，开采解放层，提高采出率，或者为了合理进行煤质搭配或其他原因[6-11]，在考虑开采层位时，不应拘泥于单一的下行开采程序，而应当综合考虑各影响因素，选择上行顺序开采以取得较好的技术经济效益。

以淮北矿业集团桃园煤矿零采区为典型试验研究点，系统研究10煤开采对7煤、8煤层开采条件及巷道工程稳定性的影响规律，对于矿井开拓布局、合理确定相关煤层的开采顺序、上部煤层巷道的准备时机及预防开采过程中可能出现的安全隐患意义重大。

1工程地质条件

桃园煤矿井田北以F1断层为界，南以第10勘探线为界与祁南煤矿毗邻，西界为10煤层露头线，东界至32煤层-800m底板等高线的水平投影，井田南北走向长约15km，东西倾向宽1.5～3.5km，井田面积约32km2。井田内共含可采煤层9层，其中较稳定煤层2层，分别为8煤和10煤；不稳定煤层6层，分别为32，52，61，63，71，72煤层；极不稳定煤层1层，为4煤层。可采煤层平均总厚度11.84m，占煤层总厚的54%；较稳定煤层平均总厚5.12m，占可采煤层厚度的43%。主采煤层分别为32，71，8，10煤层。

2005年由煤科总院重庆分院对桃园煤矿瓦斯等级进行鉴定，最终确定8煤层为突出煤层，桃园煤矿升级为煤与瓦斯突出矿井。针对桃园煤矿10，71，8煤层群赋存条件，采用上行开采以解决瓦斯问题，保证矿井回采的安全。

2观测仪器与测站布置

在科研钻场布置2个长距离钻孔(1号和2号)，为了保证钻孔穿透8煤(8煤和10煤平均间距76m)，钻孔长度分别为143m和151m，采用直径94mm地质钻施工，要求保持钻孔角度，使钻孔直度符合要求，不出现台阶，避免出现蛇形孔，钻孔需用水冲洗干净岩屑和岩石碎块，以免岩屑堵塞探头影响观测。

为配合该项目的研究，桃园煤矿于5月28日将科研钻场开掘准备妥当，6月3日钻机安装到位，6月5日开始三班循环开钻，6月8号2个深孔窥视仪钻孔均施工完毕，如图1所示，钻孔角度分别45°和40°。

图1　钻孔布置示意

3上覆岩层稳定时间及巷道开挖时机

3.1　上覆岩层阶段性活动规律分析

工作面停采后，为了深入了解采空区上覆岩层的活动规律，于7月6日在2号钻孔(钻孔角度40°)中安设长度达137m的深孔位移计，由于深孔位移计安装距离长且位于巷道顶板，测点安装极其困难，因此仅仅安装了1个深基点，但长时间的跟踪观测可以动态分析上覆岩层的活动规律。在实际钻孔施工过程中，2号钻孔穿透8煤，137m长钻孔的垂直高度为88m，而8煤与10煤平均间距76m，结合采场覆岩“三带”范围，确定深孔位移计的深基点位于8煤顶板中，且处于弯曲下沉带内。7月9日开始观测，至12月18日观测结束，其累计绝对位移量和速度变化曲线如图2所示。

图2　上覆岩层活动情况

分析图2，可以得出如下规律：

(1)停采约165d时，深孔位移计位移监测值基本稳定，因此，确定1001回采工作面上覆岩层活动稳定时间为165d。

(2)远距离深孔位移监测值表现出先增大后减小，然后趋于稳定的规律。说明停采后一段时间采空区顶板一直在做下沉运动，其根本原因：上覆岩层活动是自下而上渐进发展的，覆岩破坏范围增大，离层层位不断向上发展，导致在不同时期弯曲下沉带和裂缝带两者下沉速度不一。起初裂缝带下沉速度大于弯曲下沉带的下沉速度，以裂缝带内的活动为主；随着采空区逐渐压实，裂缝带及时响应并减速下沉，当下沉速度小于弯曲下沉带下沉速度时，深孔位移监测值达到峰值165mm(停采76d)，之后以弯曲下沉带运动为主，两者相对位移又开始减小，下降至107mm，采空区不断压实，采后165d上覆岩层趋于稳定。

(3)工作面停采90d为采空区上覆岩层的剧烈运动期，以裂缝带内的岩层活动为主，最大位移速度达到55mm/d；停采75d位移速度为0，此后位移速度出现负值，裂缝带活动缓和，以弯曲下沉带内的岩层活动为主(持续约75d)，随着采空区进一步压实，停采165d位移速度在0～0.1mm/d波动，处于稳定阶段。

3.2　巷道常规矿压实测规律分析

工作面停采后，分别在钻场前方、后方和钻场内设置了10个观测站，分别为巷道表面收敛(3个断面各1个测站)、锚杆受力(4个测站，共20个测点)、多点位移(3个测站，共9个测点)，如图3所示。6月9日至12月18日开展持续全方位实测研究，分析采动影响下巷道的开挖最佳时机。巷道矿压测试地点虽然是10煤层巷道，但10煤层采动巷道的稳定性由1001工作面采动和观测巷道开挖两者共同决定，因此，通过10煤层采动巷道稳定时间可以确定上覆8煤层巷道开挖时机上限，而最佳开挖时机下限即是上覆岩层活动稳定时间。

图3　巷道测站布置示意

3.2.1巷道围岩位移规律3.2.1.1巷道围岩变形规律

巷道围岩用表面收敛仪测量，精度较高，通过6个多月的矿压观测，得到桃园煤矿1001工作面钻场附近3个巷道的断面的收敛情况，如图4所示，总结得出如下规律：

(1)工作面停采约180d，各测点的两帮位移变化基本稳定。

(2)各测点变化趋势基本一致。KD2测点两帮累计位移量最大，达37.11mm，其次为KD3测点和KD1测点，分别为28.25mm和16.4mm。

分析原因可知，KD2测点在钻场内，靠近钻场和巷道形成的交叉区域(跨度大)，受1001工作面支承压力的影响较强烈，导致其表面收敛量较大。而KD1测点所在位置，在工作面停采后，矿方反复施工加固，致使其巷道表面收敛量非常小。

(3)各测点的变化均表现出明显的阶段性。以KD2点为例，第1阶段为采后90d，两帮的变形量急剧增大，累计变形达到20mm，进入第2次剧烈变化，强度较第1次小，持续时间约为90d，此阶段累计变形为17mm，之后两帮变形基本稳定，KD1和KD3变化趋势与KD2基本相同。

图4　围岩变形量

3.2.1.2巷道围岩变形速度变化规律

分析巷道围岩变形速度可得(见图5)：

图5　围岩变形速度

(1)KD1，KD2，KD3测点的两帮最大变形速度0.86mm/d，2.55mm/d和2.1mm/d，对应的工作面停采时间分别为20d，38d和14d。

(2)围岩变形速度均呈现逐渐衰减的趋势。工作面停采180d，两帮变形基本达到稳定，各测点位移速度均趋向于0。

(3)各测点的围岩变形速度均呈现出明显的阶段性和周期性衰减的变化规律。

停采初期，采场上覆岩层处于剧烈移动期，导致工作面支承压力不断变化调整，巷道受采动影响的程度实时变化，巷道变形速度也动态响应，其具体表现为震幅大，周期短；随着停采时间的增加，采场上覆岩层活动逐渐趋于缓和，巷道变形速度表现为震幅减小，周期明显延长，最终趋于稳定。

3.2.2锚杆受力分析

6月9日在钻场附近设置了4个观测断面，每个断面布置5个锚杆测力计，观测时间长达0.5a，同一断面的测点布置如图6所示。

图6　锚杆测力计测点布置

测力计观测结果如图7，得出如下规律：

图7　部分锚杆测力计示数变化

(1)锚杆测力计读数最终基本趋于稳定，稳定时间约为180d。

(2)帮部锚杆受力普遍大于顶板锚杆受力，两帮锚杆受力呈下大上小的趋势。读数最大的锚杆位于右帮下侧，最小的是右帮上侧(KD5和KD6测点左帮下测力计安装有问题，可不予考虑)，排序为：右帮下>左帮下>左帮上>中顶>右帮上。表明在支承压力的作用下，巷道帮部的变形总体上较顶板变形大，而右帮上锚杆受力最小，说明半圆拱巷道帮上肩窝部位破坏严重，锚杆锚固范围内围岩松散破碎，整体移动，锚杆张拉力较小。各测点稳定后的读数见表1。

表1　KD4～KD7测点的测力计读数　MPa

(3)锚杆受力也呈现出明显的阶段性，与围岩的变形量和变形速度呈现的阶段性一致。KD4和KD7的右帮下读数尤为明显。分析可知，变化第1个阶段为90d，锚杆受力变化较快，受力较大，此时KD4和KD7的右帮下读数分别由0增大至5.7MPa和8.5MPa；第2阶段，由于测力计与锚杆不良接触，部分锚杆受力有所下降，KD4和KD7的右帮下读数分别由5.7MPa和8.5MPa降至4.8MPa和6.7MPa，之后测力计读数又逐渐增大，但增幅较第1阶段明显较弱，说明采空区上覆岩层活动较前一阶段有所缓和，此时KD4和KD7的右帮下读数分别由4.8MPa和6.7MPa升至5.3MPa和8.1MPa；经过约180d的变化，锚杆受力完全稳定，KD4和KD7的右帮下读数分别为5.3MPa和8.1MPa。

根据上覆岩层活动及巷道矿压显现分析，两者均表现出阶段性的特征，二者紧密相关。上覆岩层活动传递应力进而影响巷道，巷道围岩变形和锚杆受力相应地表现出阶段性响应特征(停采180d后稳定)，具体表现为巷道表面开裂形成裂缝、喷层部分脱落。但这种响应具有一定的滞后性，滞后上覆岩层15d稳定。

4结论

(1)上覆岩层活动具有阶段性，第1阶段为活动剧烈期，以裂缝带内岩层活动为主，持续时间约为90d；第2阶段为活动缓和期，以弯曲下沉带内岩层活动为主，持续时间约为75d；之后为岩层活动稳定期。

(2)受采动影响的巷道呈阶段性滞后响应，滞后上覆岩层15d稳定。

(3)桃园煤矿1001工作面上覆岩层稳定时间为165d，巷道开挖最佳时机为采后165～180d。

[参考文献]

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[11]陈勇，王红胜，郭念波，等.厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用.煤炭科学技术，2009，37(6)：9-13.

[责任编辑：林健]

湖南省首次找到储量超300Mt的煤矿区

日前，从湖南省煤炭地质勘查院获悉，该院承担的湖南省首个煤炭整装勘查项目——攸县黄兰煤炭整装勘查取得重大突破，共探获煤炭资源储量343Mt。专家表示，能发现资源量超亿吨的煤矿区，不仅在湖南，就是在整个缺煤的南方省份都属罕见。

湖南省煤炭地质勘查院院长何红生表示，这是湖南省首次找到储量超过300Mt的煤矿区，对煤炭资源紧缺的湖南省来说意义重大。该项目探明的煤炭储量，为附近正在建设、即将投产的大唐华银攸县煤电一体化项目提供了充足的煤炭资源。

摘自《煤炭信息》周刊 2015.1.22