沿空留巷挡矸应力演变及围岩运动规律研究

王 壮,陈庆玉,陈庆钊,王在斌

(山东省邱集煤矿有限公司,山东 德州 251105)

沿空留巷技术是深部无煤柱开采的重要发展方向[1]。沿空留巷技术成功的应用,不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘关系及延长矿井寿命具有现实意义,也是煤炭企业改善安全条件和技术经济指标增产、增盈的主要途径之一。近年来,我国部分矿区采用切顶卸压沿空留巷技术,国内外学者对此做了大量的研究并取得了重要的理论研究成果[2-14]。现场工程实践表明,在煤层采出后,基本顶断裂位置大多发生在挡矸支柱外侧和实体煤上方,其中以实体煤上方居多。1101工作面采用预裂爆破切顶卸压技术,在预留巷道一侧形成贯穿的切缝面,使得坚硬顶板断裂位置发生在挡矸支柱外侧,减小基本顶悬臂梁长度,提高巷道稳定性,对挡矸支护方案具有重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 工作面概况

1101工作面属邱集煤矿11#一采区,工作面标高-422 m～-338 m,位于11#集中轨道上山以西,北邻西翼泄水巷保护煤柱,南至一采区胶带巷,东邻11#集中轨道上山保护煤柱,西侧为1103工作面。1101工作面走向长100 m,倾斜长789 m。

根据巷道实际揭露情况分析,1101工作面范围内煤层赋存较稳定,适合综合机械化开采。采用倾斜长壁后退式采煤法,综合机械化采煤,全部垮落法管理顶板,一次采全高,每循环推进度为0.8 m。工作面共安装ZY6800/14/28D型掩护式支架66架,最小控顶距4 160 mm,最大控顶距4 960 mm。

1101工作面轨道顺槽采用矩形断面,规格为净宽×净高=4.0 m×2.5 m,SJ=10.09 m2,荒宽×荒高=4.2 m×2.6 m,SH=11.01 m2,两顺槽均为进风巷。根据设计,1101轨道顺槽为预留巷道,为后期采煤工作面服务,补强支护采用普通锚索和单体液压支柱支护。

1.2 煤层情况

该工作面煤层走向近东西,煤层倾角3°～8°,平均5°,煤厚1.8～2.4 m,平均煤厚2.1 m,煤层结构简单且赋存比较稳定。煤为块状—粉末状,以亮煤为主,含少量镜煤、暗煤条带及微量丝炭。

1.3 顶底板条件

煤层直接顶板为平均厚度2.01 m的五灰岩,五灰以上是平均厚度1.14 m的泥岩以及平均厚度5.13 m的四灰岩,四五灰岩平均厚度7.69 m。灰岩顶板的抗压强度为127 MPa,为极坚固岩石,属坚硬顶板。直接底板主要为粉砂岩,其次为泥岩或粘土岩,局部有炭质泥岩或黏土岩伪底,平均厚度为5.56 m。

2 挡矸压力与巷道支护监测

邱集煤矿1101工作面为双重灰岩复合顶板,坚硬不易垮落,采用切顶卸压沿空留巷技术进行开采,既能提高煤炭回收率,巷道还可为下一个工作面服务。针对邱集煤矿1101工作面,采用GPD300矿用本安型充填体挡矸压力传感器和YHJ65J激光测距仪来监测采动影响下巷道挡矸支护应力及巷道变形规律。

2.1 挡矸压力监测点布置

工作面支架拉架后即开始对所留巷道沿空侧采空区顶板垮落过程进行监测,主要监测采空区矸石侧向压力。在轨道顺槽的挡矸工字钢中部,距离开切眼30 m、70 m各布置一个测站,每个测站安装一个GPD300 矿用本安型充填体挡矸压力传感器。

GPD300矿用本安型充填体挡矸压力传感器(简称挡矸传感器)主要布置在采空区底挡矸支护结构上,用于监测冒落矸石在采动影响条件下的应力时空变化规律,以及随工作面推进速度和距离变化影响下的挡矸支护分布规律。其量程为0～20 kN,经过改装可安装在挡矸工字钢中部,监测挡矸支护侧向受力。挡矸传感器是由传感器压头和采集器表头组成,二者之间通过传输电缆进行连接,挡矸传感器的压头位于采空区内。

2.2 巷道形变监测点布置

1101工作面轨道顺槽布置4个巷道变形测站,共计4台激光测距仪。

在轨道顺槽距离开切眼30 m、70 m各布置1台YHJ65J激光测距仪,监测挡矸支护两帮的收敛量。在轨道顺槽距离开切眼200 m和距离停采线200 m各布置一个测站,每个测站布置2台YHJ65J激光测距仪,监测巷道顶底板和两帮变形量,安装位置详情如表1所示。

表1 激光测距仪安装详情Table 1 Installation of laser rangefinders

3 结果与分析

3.1 留巷巷道挡矸压力规律

36#挡矸压力传感器安装在距离开切眼36.2 m位置,如图1(a)所示。挡矸压力传感器在滞后工作面15 m位置处,挡矸压力以每推进1 m增长0.17 kN的速度开始逐步上升;滞后工作面24～58 m范围内挡矸压力变化逐步趋于平稳;滞后工作面58 m挡矸压力传感器又开始逐步上升,截止到工作面推进至110 m(6月10日)仪器失效,挡矸压力传感器最大值为3.02 kN。挡矸压力传感器的直径为210 mm,其最大应力为87 kPa。

图1 挡矸压力传感器变化曲线Fig.1 Variation of blocking gangue pressure sensors

37#挡矸压力传感器安装在距离开切眼66.5 m位置,如图1(b)所示。挡矸压力传感器在滞后工作面11～19 m范围内以每推进1 m增长0.06 kN的速度开始逐步上升;滞后工作面19～60 m范围内挡矸压力变化逐步趋于平稳;滞后工作面52 m挡矸压力传感器又开始逐步上升,截止到工作面推进至145.3 m(6月19日)仪器失效,挡矸压力传感器最大值为2.78 kN。

36#挡矸压力传感器与37#挡矸压力传感器对比分析如表2所示。挡矸压力在滞后工作面平均14.5 m位置处开始增长,在滞后工作面21.5 m出现首次稳定。滞后工作面55 m位置处出现第2次增长,监测结果最大值为2.9 kN,挡矸压力传感器的直径为210 mm,其最大应力为83 kPa。

表2 两挡矸压力传感器监测结果Table 2 Monitoring results of twoblocking gangue pressure sensors

3.2 留巷巷道收敛变化规律

1101工作面推采过程中,共安装4台YHJ65J激光测距仪,其中101#、102#和104#激光测距仪监测巷道两帮收敛量,103#激光测距仪监测巷道顶板表面下沉量,详细信息如表3所示。激光测距仪安装后,所监测到最大巷道顶板下沉量为228 mm,101#、102#和104#检测到巷道两帮收敛量分别为44 mm、260 mm和121 mm。

表3 激光测距仪安装位置详情Table 3 Installation of laser rangefinders

101号激光测距仪监测留巷两帮收敛,其最大收敛量为44 mm。在安装初期,距离推采工作面40 m时,巷道两帮收敛量有明显的上升,第二阶段为距离工作面90～130 m时两帮收敛量有所增加；截止距离工作面180 m时,巷道里程39.4 m处两帮的移进量为44 mm,如图2所示。

图2 101#激光测距仪随推采变化曲线Fig.2 Convergencevariationwith mining by No. 101 laser rangefinder

102号激光测距仪监测留巷两帮收敛,其最大收敛量为260 mm。在安装初期,距离推采工作面20 m时,巷道两帮收敛量有明显的上升,收敛量为50 mm;第二阶段为距离工作面75～110 m时两帮收敛量有所增加,此阶段增长约80 mm；截止距离工作面300 m以外时,巷道里程69.5 m处两帮移进量为260 mm,不再增加,如图3所示。

图3 102#激光测距仪随推采变化曲线Fig.3 Convergencevariationwith mining by No. 102 laser rangefinder

103#激光测距仪位于巷道里程200 m位置,监测留巷顶板下沉量。在安装初期,距离推采工作面30 m时,下沉量较大,为49 mm,此时处于留巷不稳定阶段,工作面后方矸石逐步冒落密实；约280 m后,顶板移进量处于稳定状态,最大下沉量为228 mm,如图4所示。

图4 103#和104#激光测距仪随推采变化曲线Fig.4 Convergencevariationwith mining by No. 103 and No.104 laser rangefinder

104#激光测距仪,位于巷道里程200 m位置,监测留巷巷道两帮收敛量。安装初期,随着顶板矸石垮落,两帮有移进量明显增加,约为46 mm;在361 m附近时巷道收敛量明显增加,此时为工作面周压显现剧烈区段,影响工作面后方约130 m,周压显现剧烈过后,两帮收敛量平稳增加并趋于稳定,最大移进量为121 mm。

综上可得,巷道两帮移进量远小于巷道顶板下沉量,说明巷道挡矸效果明显,在留巷初期,巷道处于不稳定状态,收敛变形较大,约为进尺20 m范围内收敛约50 mm左右。

4 结论

以邱集煤矿1101工作面为工程背景,分别采用GPD300 矿用本安型充填体挡矸压力传感器和YHJ65J激光测距仪来监测巷道挡矸压力及巷道变形规律,研究结果如下。

1)采用GPD300矿用本安型充填体挡矸压力传感器对所留巷道碎石帮横向压力研究分析,监测结果表明:挡矸压力在滞后工作面平均13 m位置处开始增长,在滞后工作面21.5 m出现首次稳定,滞后工作面55 m位置处出现第2次增长,两台监测仪器的监测结果最大值为3.02 kN,约为87 kPa。

2)架后挡矸支护随变形增加工字钢变形弯曲严重,但没有发生漏矸现象,工字钢大部分被压弯,在后续施工中,保持此间距不变,将工字钢靠近切缝线一侧,可增大侧向支护阻力,减少工字钢因顶板下沉导致弯曲。

3)采用YHJ65J激光测距仪对留巷巷道收敛特性进行检测,发现顶底板移进量大于两帮收敛量,说明巷道挡矸效果明显。在留巷初期,巷道处于不稳定状态,收敛变形较大,所监测到最大巷道顶板下沉量为228 mm,巷道两帮收敛变形在滞后工作面130 m逐步趋于稳定,两帮最大收敛量为260 mm。