杭來灣煤礦大采高綜采面回采巷道圍巖變形規律

閆鵬佳,薛雄飛,胡志華,劉桂璋,趙志楊,許春寶

(1.陜西有色榆林煤業有限公司,陜西 榆林 719000;2.中國礦業大學 礦業工程學院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤層開采擾動打破了地層原始應力平衡狀態,導致應力重新分布。根據大量的理論和現場實測研究成果,煤層開采后上覆巖層重量將會向采空區四周新的支承點轉移,從而在采空區周圍形成支承壓力帶[1-4]。其中在工作面前方形成超前支承壓力,隨著工作面的推進逐漸向前移動。由于回采巷道超前段處于采動支承壓力影響范圍內,造成超前段圍巖容易發生較大變形,影響巷道支護和工作面正常生產[5-7]。

張玉鵬、孔令海、靖洪文等[8-10]采用理論分析、數值模擬和相似模擬相結合的研究方法,綜合確定大采高綜采條件下深部特厚煤層的巷道圍巖破壞深度。顧士坦、顧國民、王建輝等[11-13]采用理論分析方法研究深部巷道圍巖變形的影響因素,并通過數值模擬探討不同生產地質條件下巷道圍巖塑性破壞分布規律,結合灰色度分析方法確定影響巷道圍巖變形破壞程度的主要因素分別為開采深度、堅硬頂板厚度、煤層厚度。高峰[14]利用數值模擬方法研究大采高回采巷道在受二次采動影響時圍巖的應力分布和移動變形規律。劉亞鵬[15]研究大采高回采巷道上覆巖層破斷規律及力學特征。李春意等[16]研究深部大采高沿空留巷圍巖穩定性及形變規律,發現沿空巷道圍巖位移量與工作面至測站點距離之間符合Slogistic增長函數模型。

目前,對于大采高工作面回采巷道圍巖變形規律的研究還處于探索中,以杭來灣煤礦30201工作面為例,采用現場觀測方法分別對該工作面膠運回采巷道表面位移及圍巖松動圈進行監測,以期為礦井后續工作面開采設計以及巷道支護參數優化提供依據。

1 采礦地質條件

1.1 礦區概況

杭來灣煤礦位于國家重點規劃礦區陜北侏羅紀煤田榆神礦區的西南部,地質構造簡單,含可采煤層6層,煤炭資源量達13億t。其中主采煤層3號煤層厚度平均8.56 m。

30201工作面是該礦區302盤區首個大采高工作面,因此對于該工作面回采巷道圍巖變形規律的研究,可為剩余大采高工作面布置、頂板控制等提供依據。

1.2 工作面地質條件

30201工作面3號煤層可采煤厚度6.4～8.5 m,平均厚度7.5 m,煤層底板標高(從切眼到主輔回撤通道)為1 017～1 041 m,工作面傾角為0.2°～0.5°,平均0.3°,采用仰采后退式采煤。埋深205～260 m,平均埋深233 m,上覆基巖厚度139～199 m,平均厚度169 m,松散層厚度45～81 m,平均厚度63 m。

煤層直接頂板以粉砂巖、泥巖為主,少量細粒-粗粒長石砂巖,基本頂為延安組第四段底砂巖中粒長石砂巖,厚度大,穩定性較好。直接底板以粉砂巖、泥巖為主,少量細-粗砂巖、碳質泥巖。頂底板巖層分布見表1。

表1 煤層頂底板巖石特征

1.3 工作面開采條件

30201工作面位于井田3號煤層2盤區,沿煤層傾向布置,走向長度5 717.9 m,傾斜長度300 m。沿煤層走向布置膠運巷、輔運巷、回風巷各一條。

2 表面位移變化規律

2.1 測站布置

在30201工作面前方膠運平巷中布置3個測站,膠運平巷第1測站布置在2 940 m里程,第2測站布置在2 890 m里程,第3測站布置在2 860 m里程。每個測站采用十字交叉法對巷道表面位移進行監測,如圖1所示。

圖1 測站布置示意Fig.1 Diagram of observation station layout

從2022年7月30日早班30201工作面推進至約2 994 m里程時開始監測,距離第1個測站約54 m,直至8月18日工作面推采通過第3個測站。

2.2 頂板變形規律

監測期間膠運平巷頂底板移近量和移近速度曲線如圖2所示。

圖2 膠運平巷頂底板變形規律Fig.2 Roof and floor deformation law of belt transportation roadway

膠運平巷測站1在距工作面約25 m時頂底板移近量增大至10 mm,在距工作面約3 m處變形增大至約20 mm。距離工作面15 m左右頂底板移近速度開始增加至10 mm/d。

測站2在距工作面38 m處開始發生變形,頂底板移近量增加至20 mm,在距工作面約8 m處,增加至90 mm。距離工作面17 m左右頂底板移近速度開始增加至30 mm/d,然后急劇增大。

測站3在距工作面38 m處頂板移近量增加至2 mm,隨著工作面繼續推進,開采擾動影響加劇,在距工作面3 m處,頂底板移近量增加至70 mm。距離工作面11 m左右頂底板移近速度開始增加至25 mm/d,然后急劇增大。

2.3 幫部變形規律

監測期間膠運平巷兩幫移近量和移近速度曲線如圖3所示。

圖3 膠運平巷兩幫變形規律Fig.3 Two sides deformation law of belt transportation roadway

膠運平巷測站1在距工作面25 m處,兩幫移近量開始逐漸增大,由0增加至10 mm,然后保持穩定,在距工作面3 m處增至50 mm。距離工作面15 m處,兩幫移近速度達到20 mm/d,然后波動變化。

測站2在距工作面33 m處兩幫變形開始增大至10 mm,在距工作面8 m處增大至50 mm。距離工作面17 m處,兩幫移近速度達到10 mm/d,然后急劇增大。

測站3在距工作面35 m處兩幫開始發生變形,兩幫移近量增加至10 mm,隨著工作面繼續推進,在距工作面3 m處增加至85 mm。距離工作面11 m處,兩幫移近速度達到10 mm/d,然后急劇增大。

3 圍巖松動圈發育規律

3.1 測站布置

在30201膠運平巷超前工作面3 m、8 m、18 m和53 m各布置1個觀測站,如圖4所示。

圖4 測站布置Fig.4 Layout of observation station

4個測站分別對應采動影響劇烈段、超前支承壓力峰值位置、采動影響減弱段、采動影響范圍外。每個測站,在兩幫中間位置各布置1個窺視孔,孔深4 m;在頂板中間位置布置1個窺視孔,孔深5 m。

3.2 探測結果

3.2.1 測站1

頂板窺視鉆孔在孔深0.4 m處發育1條斜向裂隙,0.9 m處發育1條豎向裂隙;孔深1.2 m、1.5 m處孔壁較為破碎,在孔深達到1.9 m時孔壁凸起,阻擋探頭;在孔深2.3 m處出現1條橫向離層裂隙。

回采幫窺視鉆孔分別在孔深0.8 m、1.1 m、1.5 m處均發育有橫向離層裂隙;孔深1.8 m處孔壁變窄。

煤柱幫窺視鉆孔在孔深0.8 m處發育1條橫向的離層裂隙,孔深1.6 m處發育有豎向的裂隙,孔深2.2 m處孔壁出現臺階;孔深2.8 m以內孔壁光滑。

3.2.2 測站2

頂板窺視鉆孔在孔深0.7 m處孔壁較為破碎;孔深1.1 m處發育1條橫向離層裂隙;孔深1.8 m處發育有1條豎向裂隙;孔深達到1.8 m時孔壁凸起,阻擋探頭前進。

回采幫窺視鉆孔分別在孔深0.8 m、1.3 m處均發育有豎向裂隙;孔深1.5 m處孔壁較為破碎,1.5 m以內孔壁光滑。

煤柱幫窺視鉆孔在孔深0.8 m、1.6 m處孔壁破碎,在孔深2.2 m處出現臺階凸起,孔深2.8 m處孔壁四周較為破碎,孔深達到3.2 m后孔壁基本完好,未見明顯裂隙發育。

3.2.3 測站3

頂板窺視鉆孔在孔深0.3 m處孔壁縮小;孔深0.5 m以內沒有出現明顯裂隙發育。

回采幫窺視鉆孔分別在孔深0.3 m處孔壁較為破碎,1.3 m處均發育有橫向離層裂隙。

煤柱幫窺視鉆孔在孔深1.6 m、2.3 m處孔壁均出現臺階凸起,孔深2.3 m以內未見明顯裂隙發育。

3.2.4 測站4

頂板窺視鉆孔在孔深0.4 m處孔壁破碎;孔深0.4 m以內沒有出現明顯裂隙發育。

回采幫窺視鉆孔孔壁均較為光滑。煤柱幫窺視鉆孔在孔深0.8 m處孔壁出現凸起,孔深0.8 m以內未見明顯裂隙發育。

3.3 圍巖松動圈分布規律

將各個鉆孔探測得到的圍巖裂隙發育情況通過素描方式繪制,如圖5所示。

圖5 松動圈范圍及裂隙發育素描圖Fig.5 Range of loose circle and crack development

距離工作面53 m處(測站4)圍巖基本處于初始掘進擾動狀態,只在頂板發育有0.1 m左右的松動圈。距離工作面18 m(測站3)開始受到工作面開采擾動影響,在原始擾動范圍的基礎上發育新的松動圈。距離工作面8 m處(測站2)處于在采動應力擾動下頂板(1.1 m、1.8 m)和回采幫(0.5 m、1.3 m)出現明顯的離層裂隙。距離工作面3 m處,圍巖破碎帶范圍繼續擴大至約0.5 m,頂板0.9 m、2.3 m處發育有豎向裂隙和橫向離層裂隙,回采幫0.8 m、1.1 m、1.5 m處,以及煤柱幫0.8 m、1.6 m處均發育有豎向裂隙。

4 結論

(1)膠運平巷在超前工作面約22～38 m處開始發生變形,初期變形量較小(5～20 mm),臨近工作面3～8 m時頂底板最大移近量達到90 mm、兩幫最大移進量達到85 mm。膠運平巷3個測站頂底板移近速度分別從15 m、17 m、11 m處急劇增大,兩幫移近速度分別從15 m、17 m、11 m處急劇增大。

(2)采用鉆孔窺視儀對30201工作面膠運平巷超前段圍巖裂隙發育情況進行了觀測。結果表明,工作面前方3 m處巷道圍巖處于采動影響劇烈階段;工作面前方8 m處巷道圍巖基本處于超前支承壓力峰值影響階段;工作面前方18 m處巷道圍巖基本處于超前支承壓力減弱段;工作面前方53 m處巷道圍巖基本處于原始應力區。

(3)綜合分析膠運平巷超前段表面位移變形規律和松動圈測試結果,30201回采巷道采動影響跡象顯現范圍約為超前18 m,建議30201工作面回采巷道超前支護距離不小于20 m。