020907综采工作面矿压显现规律探讨

2022-08-10 03:36樊占文
江西煤炭科技 2022年3期
关键词:微震煤壁矿压

樊占文

(国家能源集团煤焦化公司,内蒙古 乌海 016000)

棋盘井煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市境内,矿井采用斜井开拓方式,设计生产能力为3.00 Mt/a。近年来,随着矿井开采范围的不断扩大,生产活动逐步向地质构造复杂区域布置掘进和回采工作面。矿井深部区域的这些采掘工作面受采动压力和构造应力叠加影响,导致采掘工作面经常发生严重的顶板下沉、底鼓及侧帮收敛等现象,需要进行翻修重新扩修巷道,严重影响掘进和回采速度,支护成本和人力成本也急剧增加,并同时产生严重的安全隐患。

1 工作面概况

020907综采工作面(以下简称工作面)距离地表的垂直埋深为450~510 m,工作面沿煤层走向布置,走向长度2 300 m,切眼长度200 m。

020907综采工作面开采的9号煤层厚度3.0~3.8 m,倾角5°~8°,中间有不稳定夹矸层1~2层,煤层全区稳定可采。9号煤直接顶为层厚0.8~3 m的碳质泥页岩,老顶为层厚5~30 m的泥质胶结细粒砂岩,老顶上部为厚度在20~50 m的中粗粒砂岩,直接底为碳质泥页岩。工作面内的煤岩层结构稳定,局部有落差小于2 m的断层构造。

工作面采用走向长壁综合机械化开采,顶板全部垮落法处理采空区。工作面运输顺槽和回风顺槽均采用单体液压支柱加铰接梁进行超前维护。由于工作面两侧均为已回采后的采空区,运输顺槽和回风顺槽两侧均采用6 m窄煤柱与采空区隔离,因此形成孤岛工作面开采。在工作面回采推进过程中运输顺槽和回风顺槽出现剧烈矿压现象,超前支护段巷道两帮收敛最大达2.5 m,顶底板移近量最大达2 m,给工作面推采和安全管理带来很大影响[1]。

2 矿压监测方案

矿井在工作面及相邻的北翼回风大巷、北翼辅助运输大巷采用微震监测法开展区域监测;采用应力监测法开展工作面顺槽内超前段应力局部监测;采用十字布桩法和顶板离层仪观测巷道型变监测。工作面使用煤矿微震监测系统开展区域微震监测工作,共布置8通道信号采集,其中1~6号信号采集传感器布置在工作面运输顺槽和回风顺槽,监测工作面微震波数据;7、8号信号采集传感器布置在与工作面邻近的北翼回风大巷、北翼辅助运输大巷内,监测巷道内微震波数据[2-3]。局部应力监测点在工作面运输顺槽和回风顺槽内各布置了10组监测点,监测超前段300 m范围煤体内的原岩应力和采动应力变化情况[4]。十字布桩法观测点在工作面运输顺槽0~120 m采动超前范围内布置了5处观测点,在回风顺槽0~100 m采动超前范围内布置了4处观测点,监测工作面回采超前段巷道形变情况[5]。

3 监测数据采集

1)微震监测关联数据采集

工作面开采深度为450~510 m,通过计算可求出重力应力场施加在工作面的应力约为13.23~15 MPa。工作面回采形成的采动空间使煤层顶底板围岩原始应力发生剧烈改变[6],造成工作面直接顶和老顶岩层变形、破断、垮落,直接底发生形变蠕动抬起,释放大量弹性能通过非均匀介质并以震动波的形式对外传播,从而在监测上形成微震波信号数据。

工作面在老顶初次来压后,收集工作面推采前方20~300 m区间和液压支架后部采空区的监测数据。期间共收集到微震能量信号450余次,震级能量区间多在102~103焦耳;微震能量信号多集中分布在工作面采空区内30 m至工作面煤壁超前200 m的范围内,煤层上方5~120 m的高度区间内。在有效的监测时间段内,所监测到的最大震级能量值为8×104焦耳;微震信号源位于工作面回风巷侧老空区顶板上部约10 m高度、超前工作面煤壁约10~20 m处。020907工作面未监测到105焦耳以上震级的能量信号[7]。

根据煤矿微震监测系统所生成的微震能量信号源平面、剖面图显示,微震事件分布明显偏向于工作面后方采空区30 m以内和工作面煤壁前方的支承应力区内,并且煤壁前方支承应力区的微震能量信号要明显多于采空区内,说明工作面前方顶板受采动影响,顶板出现了较密集的断裂,并且由于煤壁前方支承应力区老顶断裂比较充分,应力已经得到充分释放,所以采空区内微震事件相对较少,反映出工作面老顶垮落较为充分[8]。煤矿微震监测系统生成的微震能量信号如图1~图4所示。

图1 020907工作面微震能量信号平面

图2 020907工作面微震能量信号剖面

图3 工作面104焦耳以上信号平面

图4 工作面104焦耳以上信号剖面

2)应力局部监测孔数据采集

通过读取和整理工作面回采期间的应力局部监测数据进行分析,其中:运输顺槽内共出现3次超预警值的情况,分别为运5号监测孔、运9号监测孔和运13号监测孔;回风顺槽共出现10次超过预警值的情况,分别为回07号浅孔,回17号浅孔、回21号浅孔、回30号深孔、回33号浅孔、回41号浅孔、回48号深孔、回62号深孔、回67号浅孔和回69号浅孔[9]。

工作面运输顺槽和回风顺槽煤体内超过6 MPa预警值的应力局部监测钻孔数据统计如表1、表2所示。

表1 020907工作面运输顺槽煤体内应力局部监测孔数据

表2 020907工作面回风顺槽煤体内应力局部监测孔数据

3)传统矿压观测数据采集

根据矿井以往工作面回采期间矿压显现和巷道形变规律,结合工作面采用微震监测法开展区域监测和采用应力监测法开展顺槽内超前段应力局部监测的矿压监测方案,并采用十字布桩法在工作面运输顺槽和回风顺槽内布置巷道型变观测点,形成工作面的完整矿压监测、观测和数据分析整理方案和体系。采用十字布桩法监测巷道形变的数据采集点主要布置在工作面超前30~120 m段的范围内,其中在运输顺槽内正常观测收集5个点位的数据,在回风顺槽内正常观测收集4个点位的数据,其它点位只作为日常观测[10]。

工作面推采至地质条件相对稳定的区域期间观测的巷道形变数据统计表如表3、表4所示,形变数据折线如图5、图6所示。

表3 020907工作面运输顺槽巷道型变数据统计

表4 020907工作面回风顺槽巷道型变数据统计表

图5 020907工作面运输顺槽巷道形变数据折线

图6 020907工作面回风顺槽巷道形变数据折线

4 监测数据分析

1)工作面回采期间顶板岩性及垮冒情况分析。工作面直接顶在推采进入采空区后,基本会伴随液压支架的移架而冒落。直接顶上部5~30 m厚的泥质胶结细粒砂岩老顶在推采过程中,在工作面煤壁前方的支承应力区内往往容易形成集中、密集的断裂,是形成低能量微震波信号的关键层。泥质胶结细粒砂岩老顶上部厚度在20~50 m的坚硬中粗粒砂岩为矿压能量释放和显现的关键层。随着回采空间跨度逐渐增加,关键层与下覆软弱直接顶和老顶岩层逐渐出现离层,当关键层悬顶长度大于其破断步距时,关键层开始破断,并引起上覆局部或全部岩层同步变形,释放大量的能量。如图3、图4所示,工作面104焦耳以上微震能量信号主要位于工作面煤壁前方30~80 m的高度范围内、关键层弹性变形能的瞬间和急剧释放是造成工作面液压支架工作阻力急剧上升、运输和回风顺槽超前段巷道严重型变的主要因素。

2)煤壁超前支承压力分析。通过运输顺槽和回风顺槽煤体内应力局部监测孔数据表如表1、表2所示:当运输顺槽应力监测站距煤壁平均约43.7 m时煤体应力开始增大,距煤壁平均约14.8 m时煤体应力达到峰值20.7 MPa,平均应力增量为1.86 MPa/d;当回风顺槽应力监测站距煤壁40~60 m(平均49.4 m)时煤体应力为9.7 MPa,开始上升且接近预警临界值(12 MPa),距煤壁平均约29 m时煤体应力达到峰值21.6 MPa,平均应力增量为0.94 MPa/d。通过应力局部监测数据分析可以看出,煤体内应力在工作面煤壁向外30 m的煤体区间内处于峰值。

3)传统矿压观测分析。通过对运输顺槽和回风顺槽超前工作面煤壁120 m以外区段的日常检查和观测可以发现,超前段120 m以外的巷道顶底板及两帮移近量型变较小,矿压显现不明显;运输顺槽和回风顺槽在超前工作面煤壁0~120 m范围内,巷道不同程度发生了形变,其中:在超前工作面煤壁30 m范围内巷道型变剧烈,存在底臌及下肩窝切顶等现象,矿压显现明显;在超前工作面煤壁30~50 m范围内存在较明显的巷道形变现象,矿压显现较大;在超前工作面煤壁50~120 m范围内存在局部巷道形变现象,但矿压显现明显趋弱。

4)微震能量信号及顶板离层仪分析。020907工作面微震监测系统生成的微震能量信号,反映出微震能量信号的高度范围90%以上都位于9号煤层顶板20~100 m之间,而顶板离层仪安装深度为巷道顶板以上8 m范围内,通过微震能量信号可以看到,顶板断裂一般很难作用到顶板离层仪安装的层位,加之顶板离层仪灵敏度不高和设置的点位少,工作面推采期间很难保证顶板离层仪的完好,因此,回采动压导致的顶板断裂作用到顶板离层仪的概率很小。但不排除顶板断裂通过介质传播的动载荷作用至煤体的可能,使得煤体内应力增加造成巷道围岩应力失衡,导致巷道产生变形。

5)微震频次及顶板周期来压分析。通过对收集到的微震能量信号频次、强弱情况、信号产生的位置区域进行分析,工作面104焦耳以上微震能量信号频次曲线呈“M”型,出现“释放-积聚-释放”的周期变化,其变化与工作面老顶周期来压的“失稳-短暂平衡-失稳”过程一致[11],在工作面正常推采期间基本为5~6天为一周期。工作面104焦耳以上微震能量信号监测频次周期与工作面顶板周期来压周期保持一致。

5 结语

通过采用微震监测法开展区域监测、采用应力监测法开展顺槽内超前段应力局部监测、以十字布桩法和顶板离层仪观测巷道形变监测等监测技术,基本摸清了工作面及周围矿压显现规律与特征,对工作面煤体内应力分布情况、巷道形变情况和顶板断裂高度等有清晰的了解和掌握,为工作面的安全、高效开采创造了良好条件;也可为其他孤岛工作面开采提供经验借鉴。

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