沿空留巷矿压监测与显现规律研究

常 韡

(山西兰花科技创业股份有限公司 唐安煤矿分公司，山西 高平 048407)

山西兰花煤炭实业集团有限公司唐安煤矿，采用一矿一井一面模式生产。矿井采用斜井开拓，采用综采放顶煤，井下一个综放面、三个综掘面和一个开拓面。随着井下地质条件和现实生产需要，唐安煤矿当前面临的生产难题也日趋明显。为了确保高瓦斯煤层的安全开采，目前普遍采用“采前预抽、高位裂隙抽，上隅角埋管抽”等方法相结合的瓦斯综合治理技术。但是该技术一方面依然没有从本质上解决上隅角瓦斯超限问题，只能通过限产来确保安全生产；另一方面，瓦斯治理花费高，煤矿企业吨煤成本太高，不利于新常态下矿井的健康发展。鉴于以上所述，需采用柔模混凝土沿空留巷工艺来解决上述困难。

唐安煤矿留巷因横断面较大、顶板煤层厚度较大，煤质酥软，导致留巷煤帮和顶板变形较为严重、围岩破碎，为确保矿井的安全、高效生产，现对该矿3307综采面沿空留巷巷道进行压力观测，以保证矿井安全生产。

1 工程地质与开采条件

1.1 矿井地质条件

井田位于华北板块山西板内造山带沁水板拗太行块隆西侧，其紧邻东南侧的晋获褶断带。因受区域地质构造影响，井田内的地质构造相对复杂，总体上呈背、向斜相间的褶曲构造，其中8个次一级背、向斜构造，26条断层和93个陷落柱。矿井水文地质类型为中等。

1.2 煤层及顶底板情况

本工作面开采煤层为3号煤，赋存于下二叠系山西组地层，为陆相湖泊沉积，为特发热量高的无烟煤三号(WY3)，其煤层结构较为简单，有0～2层的矸石夹层，为泥岩，煤层所属层位、厚度均很稳定。煤层煤尘无爆炸性，属不易自燃煤层。

该工作面煤层伪顶为泥岩：厚度0～0.64 m，黑色、性脆，具均匀层理，可随着回采垮落；直接顶为泥岩：黑色、细腻，性脆，具均匀层理，平均的厚度大约3.01 m；老顶为细粒砂岩：颜色发灰，主要为石英，其次为长石，夹黑色泥纹，平均厚度为8.98 m。直接底是泥岩：颜色发黑，断口状态为平坦，厚度平均为6.65 m；老底泥岩：颜色发黑，脆且致密，夹粉砂纹线，水平层理发育。

2 矿压监测方案

2.1 监测内容

1) 巷道表面位移监测，主要包括巷道顶、底板变形量，两帮收缩量，分析沿空巷道围岩变形规律；

2) 巷道单体支柱支护阻力监测；

3) 充填体压力监测；

4) 侧向支撑压力监测。

2.2 监测方案

2.2.1 巷道表面位移监测

观测工作面采动对沿空巷道变形的影响，包括巷道顶、底板变形量，两帮收缩量，分析沿空巷道围岩变形规律。

1) 现场测点布置。在3307工作面回采留巷期间，安设3组表面位移测站，测站布置见图1。采煤工作面前方布置3个测站，测站1、测站2、测站3距离工作面分别为60 m、50 m、40 m，用于监测巷道受采动影响阶段及采动影响稳定阶段围岩变形规律；采煤工作面后方每间隔20 m布置一个测站，共5个测站，用于监测巷道受采空区岩层顶板破坏影响阶段及稳定阶段围岩变形规律。

图1 表面位移测站布置

2) 现场监测方法。表面位移测量采用“十”字布点法，如图2所示。

图2 巷道变形测站布置剖面

2.2.2 巷道单体支柱支护阻力监测

1) 现场测点布置。3307工作面轨道巷超前支护方式为单体支柱支护，在单体柱上安装压力监测仪，测点在轨道巷超前工作面20 m处开始布置；留巷内的支护方式为单体支柱和柔模墙体支护，在单体柱上安装压力监测仪，在工作面后方柔模墙体边缘处每隔20 m布置一个测点，共5个。图3为单体柱工作阻力监测示意图。

图3 单体支柱工作阻力监测

2) 现场监测方法。采用TCP-40型单体支柱阻力增压检测仪。3307工作面轨道巷内沿倾向方向设有4根单体柱，故每个测点都对应一排4根单体柱，每次数据采集都应对4根单体柱进行全部采集，采集该项工作安排专人进行采取，定期采取数据。

2.2.3 充填体压力监测

测点位于柔模墙体之下，打柔模墙之前在墙体下装入3个GH-1000压力盒液压枕，沿墙体宽度方向并排放置作为一个测点，液压枕上下铺设1～2 cm的细沙确保液压枕均匀受力，液压枕传感器的线路用碎煤渣掩埋，并进行编号，沿工作面推进方向由采空区向巷道依次编号，即A1号、A2号、A3号、B1号、B2号、B3号、C1号、C2号、C 3号，其中A、B、C为测站号，1、2、3为压力传感器号(如图4)。

图4 充填体测点布置

2.2.4 侧向支撑压力监测

1) 现场测点布置。现场应力观测点布置在轨道巷下帮内，利用GMC-20型钻孔应力计监测下帮煤体内侧向支承压力分布情况。巷内分别布置两个钻孔应力测站，测站均向着轨道巷下帮布置(即下工作面煤壁内)，每个钻孔应力测站布置3个测点，钻孔编号为1号，2号，3号，现场钻孔应力计布置如图5所示。

图5 钻孔应力计布置

2) 施工钻孔参数。使用风钻或麻花钻施工D42钻孔，为了能够更加全面的监测煤体应力分布特征，钻孔测点深度依次为15 m，10 m，5 m。相邻2个测点之间相距5m，钻孔应力测点在工作面超前60 m左右开始布置。相邻两个测站之间相距20 m，以避开测站之间的影响。

3 矿压监测数据分析

3.1 巷道表面位移分析

通过在留巷内所设测点对巷道表面变形量进行监测，对比各个测点所得数据，使用3号测点所得数据分析沿空留巷巷道表面变形规律并绘制变形曲线如图6所示。

图6 巷道围岩变形曲线

图6中各图横坐标为所选3号测点距工作面的距离。由图(a)可知，随着工作面的不断推进，测点距工作面的距离逐步加大，巷道顶板的变形量也随之不断增大，距离工作面50 m左右时巷道顶板变形速度最大，当工作面推进至距测点95 m以后巷道顶板变形趋于稳定，最终稳定于216 mm；由图(b)可知，巷道底板变形随着工作面的不断推进而不断增加，但是巷道底板稳定时间早于顶板，当工作面推进至距测点55 m时底板变形即趋于稳定，稳定于35 mm；由图(c)可知，巷道两帮移近量随着工作面的不断推进(即与测点的距离不断加大)，两帮移近量不断增加，当工作面推进至距测点45～50 m时两帮移近速度最大，当工作面推进至距测点90 m处时两帮移近量趋于稳定，稳定于124 mm；由图(d)可知，随着工作面的不断推进，充填墙体的变形量不断增大，当工作面推进至距测点95m处时充填墙体变形最为剧烈，直至工作面推进至距测点105 m处时充填墙体变形趋于稳定，稳定于72 mm，同时充填墙体的变形呈现出明显的阶段性，这是因充填墙体上部顶板周期性破断所导致，由图可知，工作面平均每推进15 m顶板会发生破断。

3.2 巷道单体柱支护阻力分析

按照上节所定监测方案对留巷巷道内的单体支柱进行监测，因巷道内所设单体支柱数量大且支设时人为原因以及单体柱自身原因导致数据存在较大误差，因此需提前对所取数据进行筛选再进行分析，筛选后数据绘制折线图如图7。

图7 单体柱支护阻力分布

图7中横坐标轴表示距工作面距离。由上图可知，单体支柱的支护阻力在留巷巷道内沿工作面推进方向可以分为三个区域，从工作面开始到后方50 m处为压力增高区，50 m处至150 m处为初次稳定区，150 m至200 m处为再次稳定区，三个区域的分布皆因顶板向上逐层破断所致。在150 m之后单体柱压力再次稳定后，单体柱的工作阻力保持在15 MPa左右，支护阻力依然较大，故此时单体柱不能回撤。

3.3 充填墙体压力分析

监测充填墙体的压力盒一排三个沿墙体宽度方向放置，由于压力盒摆放位置不同，故三个压力盒所监测墙体压力有一定差别，经过综合对比分析，决定采用5号压力盒的数据进行充填墙体受力分析，所得数据绘制折线图如图8所示。

由图8可知，充填墙体在构筑完成之后压力随即急剧增大，紧接着又急剧减小，由此压力变化可知充填墙体在支撑顶板且因完成切顶所以造成墙体所受顶板压力减小，但是由于工作面的不断推进，采出空间不断增大，导致直接顶以上各层顶板不断变形失稳破断，从而导致充填墙体所受压力不断增大，顶板活动稳定之后，墙体所受压力也随之趋于稳定。

图8 充填墙体压力变化

3.4 侧向支撑压力分析

按照预定监测方案，在不同位置打深度不等的钻孔。由于钻机在钻进时无法保持绝对的水平，会有一定的仰角；同时由于煤质较软，长距离钻进时会发生踏空现象，导致钻孔钻进完成后钻杆无法拔出和钻进时卡钻现象的发生。在安装监测仪器时，由于钻孔内部情况不明，仪器无法送至预定位置，且仪器装设过程中对钻孔产生了一定的破坏，导致钻孔内产生大量的裂隙。钻孔的仰角和塌孔导致最终封孔时封孔材料无法到达仪器所在位置，进而使仪器在煤体内无法得到有效接触，故无法获得有效的监测数据。

4 结 语

1) 通过现场实测分析得出工作面后方约150 m左右巷道开始趋于稳定，但稳定后单体柱依然保持较大的工作阻力；巷道顶板2 m范围内离层明显；周期来压为50 m左右。

2)根据现场情况留巷内的单体柱暂时不能回撤；巷旁充填体在后期发生倾斜，稳定性不足，需增加其宽度以提高稳定性。