大倾角煤层综采回采巷道矿压显现规律研究

摘要: 大倾角煤层综采时,回采巷道往往会受到支承压力的影响而产生不同形式的变形与破坏,巷道矿压观测这个环节将必不可少。介绍对某采煤面回采巷道围岩变形的现场观测,主要通过对围岩表面位移、深部位移的观测数据整理分析,研究并探明大倾角煤层综采回采巷道受超前支承压力影响的矿压显现规律,这将为巷道支架选型、支护设计、保证安全生产提供理论依据。

关键词: 大倾角;综采;表面位移;深部位移;支承压力

中图分类号:TD263文献标志码:A 文章编号:中图分类号:1671-7597(2012)0910068-02

煤炭资源的开采必须有巷道,它不仅是工人进出工作地点的必经之路,而且是保证井下作业人员人身安全的重要通道,因此在煤矿生产中巷道的矿山压力观测具有极其重要的地位。采准巷道大部分开掘在煤层内或者离煤层很近的岩层内,围岩均为煤系岩层[1-2],强度比较低,尤其是回采巷道,还会受到采动引起的支承压力影响,若支护不合理,则极易引起各种类型的围岩变形、冒顶或片帮,采煤面的推进将影响无法正常进行。我国已成功地将综采技术推广应用到30°-40°倾角的煤层开采中,因此对于大倾角综采的回采巷道,其受支承压力影响的情况就需要通过矿压观测来进行深入研究。在我国被定义为大倾角的煤层,其上、下界限极不统一,在25°-60°范围内都有称为大倾角煤层的[3],随着综采技术及设备的不断发展进步,综采的应用范围在不断扩大,煤层倾角的界定下限也由25°增加至30°-32°。

1 试验工作面基本情况

该面走向长约900m,倾向宽182-210m(平均200m),主采B4煤层。B4煤层为结构复杂的中厚煤层,平均厚度为3.2m,煤层靠上部含一层砂质泥岩夹矸,厚0-0.7m,局部有夹矸插入体及底鼓变薄带,局部煤层靠中上部含1-2层厚约0.2-0.4m的软分层,煤层倾角在28°-32°,平均30°。工作面煤层的直接顶为2-7m的砂质泥岩,基本顶为细砂岩,直接底为2-4m的砂质泥岩,采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法,工作面上、下顺槽均沿B4煤层顶板掘进,采用锚网支护,部分区域用U型棚进行支护。

2 现场观测

采用钢卷尺与测杆测量巷道围岩表面位移,用KDW-1型多点位移计测量围岩深部位移。上下顺槽中分别布设3个测站,测站中各布置3个测点,巷道表面收敛观测点与围岩深部基点多点位移计测点的布置与编号见图1所示,图中的单位为“m”。

3 观测结果分析

3.1 顺槽围岩表面位移观测与分析

矿压观测共获得300多个观测数据,整理分析这些数据并做出各测点处顺槽的围岩位移量和变形速度曲线。以回风顺槽Ⅰ1测点为例进行分析,如图2所示。

可见,随着采煤面的不断推进,巷道顶底板及两帮的相对移近量(以下简称为表面收敛量)在逐渐增大;在回采面距测点111.5-63.7m时,巷道表面收敛量变化很小;距测点63.7m时,巷道表面收敛量逐渐加快,曲线斜率逐渐增加。当采面距测点63.7-38.4m时,巷道两帮相对移近量由119mm增至251mm,最大变形速度达15mm/d,顶底板的相对移近量由94mm增加到226mm,最大变形速度达15mm/d。随着采煤面的继续推进,巷道表面收敛量增加较快,当采煤面距测点38.4m时,顶底板及两帮移近速度迅速增加,曲线变得陡峭且出现拐点;受超前支护的影响,在采煤面推进到离测点28.7m时,观测工作结束,最终得到两帮移近量为353mm,最大变形速度为29mm/d,顶底板移近量为352mm,最大变形速度为34mm/d。

回采工作面的巷道表面收敛变化的观测数据总体分析结果见表1所示。

3.2 顺槽两帮深部位移观测及分析

为得到顺槽两帮深部基点的活动情况以及两帮的塑性区范围,观测了顺槽两帮围岩的深部位移,共获得约500个数据。以运输顺槽6测站为例对这些数据进行分析,如图3所示。

沿工作面走向:在距工作面72.7-52.7m时,各个测点测得的位移开始发生变化,距52.7-38.6m左右的基点位移变化较明显,距煤壁31.6m左右时各基点的运动更加急剧,在距工作面10m时,各测点位移发生突变,位移迅速增加,相对11m测点最大位移达到95mm。在工作面推过10m以后,相对深部围岩,浅部围岩应力结构发生了变化,逐渐由三维应力结构转化为二维应力结构、甚至一维应力结构,并且这种应力是一种循环应力,在循环应力反复作用下,围岩易于发生疲劳破坏,产生塑性流变,使巷道浅部变形破坏强于深部,最大变形速度达到15mm/d。

随着工作面的推进,各测点由浅部至深部的位移量均相继减小(浅部基点的相对位移量比深部基点的大),且各测点的单位位移变化也大致符合该规律。在距工作面38.6m时,各测点移动开始活跃,单位位移的变化明显增大,距工作面9.7m时单位位移出现突变。

沿工作面倾向:在距煤壁0-3m范围内,不同深度的围岩发生了轴向分离,径向裂隙发育,此范围内的围岩处于塑性流变状态下,在工作面附近的巷道个别地段易于片帮破坏,难于维护。在3-11m范围内,不同测点间围岩相对位移变化不大,整体向外移动。

运输顺槽上帮深部位移观测综合分析见表2,可得出巷道在回采期间所受支承压力影响的三个阶段:未受采动影响阶段(>72.7m)、采动影响阶段(35.2-72.7m)、采动影响剧烈阶段(<35.2m)。倾斜方向塑性区范围为0-3m。

回风顺槽深部位移观测综合分析见表3,同样得出该巷道在回采期间所受支承压力影响的三个阶段:未受采动影响阶段(>76.5m)、采动影响阶段(76.5-44.3m)、采动影响剧烈阶段(<44.3m)。倾斜方向塑性区范围也在0-3m。

4 结语

通过分析工作面煤壁前方巷道受采动影响的范围及巷道矿压显现特征,可有效确定巷道超前支护的范围与措施。煤层开采过程中,工作面超前压力影响范围自煤壁向外57.3-29.0m,20.1m范围以内为重点支护区,沿倾斜方向塑性区范围为0-3m,实际生产中工作面的上、下顺槽均超前煤壁30m范围内实行加强支护,满足顶板控制要求。在现场观测中,还发现巷道上帮的煤壁破坏要远比下帮严重[4],因此在生产中采用“护顶又护壁”的综合支护方式是很有必要的,可有效防止由于煤壁的破坏而导致顶板状态的恶化。

参考文献:

[1]钱鸣高、石平五,矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]郭奉贤、魏胜利,矿山压力观测与控制[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[3]孟宪锐、贺永强、张文超等,大倾角煤层的概念及其开采特征探讨[A].煤炭开采新理论与新技术中国煤炭学会开采专业委员会2006年学术年会论文集[C].2006:24-28.

[4]陶连金等,大倾角煤层回采巷道矿压显现规律研究[J].工程地质学报,1998(2):139-144.