綜放過充填老窯采空區巷道礦壓顯現規律分析

張英杰,于智卓,孫 勇, 廉亞棟

(1.山西朔州山陰金海洋五家溝煤業有限公司,山西 朔州 036000;2.中國礦業大學 礦業工程學院,江蘇 徐州 221116)

巷道強礦壓顯現與圍巖變形破壞密切相關[1-2],充分了解巷道礦壓顯現特征,有助于指導現場人員優化巷道支護參數和支護方式[3-5]。五家溝煤礦5-1煤層部分回采巷道受老窯房柱式采空區和回采動壓等因素影響,造成巷道圍巖松軟破碎且變形量較大,增加了巷道穩定性控制難度。為了及時掌握回采影響下巷道頂板礦壓顯現規律,五家溝礦在部分回采巷道布置了可長期監測圍巖移動、錨桿(索)應力、頂板離層等信息的無線礦壓動態監測系統[6-7]。然而,由于對礦壓監測數據的分析與利用不足,造成礦壓監測系統數據資源浪費[8-9]。因此,本文在分析五家溝煤礦15301輔運巷道圍巖地質及變形破壞情況的基礎上,通過巷道智能礦壓動態監測系統獲取錨桿壓力和巷道表面位移數據,分析了15301輔運巷道老窯采空區內外錨桿壓力和巷道變形特征,最后以礦壓顯現特征指導現有支護參數優化并進行工業應用。

1 工程背景

五家溝煤礦15301工作面埋深為91.29 m,煤層平均厚度為8.23 m,煤層傾角平均3°.工作面輔運巷道沿煤層底板掘進,直接頂為4.73 m的煤層,基本頂為3.88 m的砂質泥巖,直接底為0.97 m的泥巖。巷道距開切眼470～590 m范圍內貫通兩處老窯式采空區,老窯采空區內采用高水材料進行底板充填。工作面布置如圖1所示。

圖1 15301工作面老窯采空區分布圖

15301輔運巷道正常段為矩形斷面(寬×高=5 200 mm×3 500 mm),但老窯采空區揭露的頂板為直接頂或基本頂,因此先局部起坡追煤層頂板,最后巷道頂板與煤層頂板一致時進行平掘,因此老窯采空區范圍內巷道頂板位置較高。巷道正常段和老窯采空區段分別采取如下支護方式,支護方案見圖2.

圖2 15301輔運巷道超高段支護方案

圖3 礦壓在線監測系統井上部分組成

1) 正常段內頂部錨桿規格為Φ20 mm×2 400 mm,間排距為950 mm×1 000 mm,幫部錨桿規格為Φ18 mm×2 000 mm,間排距為1 200 mm×1 000 mm.頂板采用Φ17.8 mm×9 600 mm的鋼絞線,間排距為2 000 mm×3 000 mm,2-2布置。

2) 老窯采空區范圍內,對巷道超高和超寬段采用11號工字鋼和半圓木做假頂,每根工字鋼需使用3根Φ17.8 mm×9 600 mm的錨索懸吊,工字鋼上用半圓木接頂。做假頂后巷道非采幫和頂板與正常段一致,而采幫采用Φ20 mm×2 000 mm的樹脂錨桿,間排距為1 200 mm×1 000 mm.貫通第一個老窯采空區前10 m加強支護,錨索間排距改為1 500 mm×2 000 mm+W鋼帶。

2 礦壓動態監測系統及監測方案

2.1 礦壓動態監測系統組成及結構

本研究采用KJ216礦壓監測系統,該系統具備綜采支架工作阻力監測、綜采支架活柱縮量監測、圍巖移動監測、錨桿(索)支護應力監測等功能。井上監測信息與報警網絡包括數據接口、監測服務器、礦井辦公局域網和客戶端GPRS數據收發單元,系統通訊接口可自動接收通訊線路傳送的數據,監測軟件采用SQL server數據庫和C/S+B/S結構。

KJ216礦壓監測系統的井下部分主要包含GUD300W圍巖移動傳感器和錨桿(索)應力傳感器。巷道內,每隔40 m布置1臺GUD300W無線圍巖位移傳感器和1組GMY400W型錨桿(索)應力傳感器,并在巷道口各設置1臺無線通訊分站收集無線傳感器數據。無線通訊分站通過KJ216-Z礦用本安型監測主站和KJJ12礦用本安型網關將數據傳輸至井上。圍巖位移傳感器采用Φ28 mm鉆孔安裝,頂板鉆孔深度不大于20 m,淺基點安裝深度為錨桿的錨固深度,深基點安裝深度為錨索的錨固深度或錨索的錨固深度之上。

2.2 15301輔運巷道礦壓動態監測方案

為了分析五家溝煤礦15301工作面綜放過老窯采空區時巷道錨桿壓力及表面位移變化規律,選取15301輔運巷道內150 m巷道范圍作為試驗段,并沿試驗段巷道中心線每隔40 m布置1組礦壓測站,布置2號～5號共4個測站,其中4號和5號測站位于老窯采空區內,2號和3號測站位于老窯采空區外(如圖4所示)。各測站采用十字布點法監測巷道變形,并利用MCS-400型錨桿壓力計監測巷道頂板及幫部位置錨桿壓力,錨桿壓力計安裝于托盤和螺母之間,每隔2 d采集1次數據。

圖4 巷道表面位移及錨桿壓力測站布置

3 巷道圍巖壓力及位移演化規律分析

3.1 錨桿壓力變化規律分析

1) 相同測站不同錨桿壓力對比。通過對比老窯采空區內外各測站頂板及幫部錨桿的壓力變化,可揭示15301工作面回采過程中老窯采空區對巷道壓力分布的影響。由圖5可知,老窯采空區范圍內,頂板及幫部錨桿壓力隨15301工作面推進而緩慢上升,但靠近工作面的5號測站錨桿壓力上升趨勢更加緩慢,兩測站內的各錨桿壓力均表現為“左幫肩窩>頂板>右幫肩窩>右幫>左幫”。此外,4號測站右幫、頂板和左幫的錨桿壓力分別為30.2 MPa、36.2 MPa和31.9 MPa,5號測站右幫、頂板和左幫的錨桿壓力分別為27.1 MPa、33.1 MPa和26.5 MPa,可見4號測站的錨桿壓力整體高于5號測站,即靠近工作面越近的測站,錨桿壓力越小。

圖5 老窯采空區內錨桿壓力曲線

圖6 老窯采空區外錨桿壓力曲線

圖 6為老窯采空區外2號測站和3號測站各錨桿壓力曲線。由圖可知,老窯采空區范圍外2號測站和3號測站各錨桿壓力受工作面推進影響較小,錨桿壓力隨工作面推進基本保持不變。但巷道頂板及幫部錨桿的壓力值變化很大。其中,巷道左幫肩窩和頂板錨桿壓力明顯高于右幫、右幫肩窩和左幫錨桿,且右幫、右幫肩窩和左幫的錨桿壓力基本接近。此外,2號測站右幫、頂板和左幫的錨桿壓力分別為35.9 MPa、40.4 MPa和47.4 MPa,而3號測站右幫、頂板和左幫的錨桿壓力分別為33.7 MPa、38.3 MPa和41.3MPa,可見2號測站錨桿壓力整體高于3號測站,進一步說明越靠近工作面,錨桿壓力越小。

2) 不同測站錨桿壓力對比。圖7為不同測站錨桿壓力對比曲線。由圖可知,不同測站巷道頂板及幫部錨桿壓力均呈現隨著工作面推進緩慢上升的趨勢,且各測站內錨桿壓力值呈現“2號測站>3號測站>4號測站>5號測站”的規律,表明測站距離工作面的距離越近,錨桿壓力值越小。分析原因可知,由于工作面回采后采空區垮落,造成工作面附近圍巖內的應力釋放,從而使得錨桿壓力值也較小。但是隨著工作面推進,巷道頂板下沉量逐漸增大,使得各測站錨桿壓力呈現逐漸上升的趨勢。

圖7 不同測站錨桿壓力曲線

3.2 巷道位移變化規律分析

圖8為2號～5號礦壓測站巷道表面位移隨回采時間的變化曲線。由圖可知,2號～5號測站巷道圍巖均隨工作面的推進不斷向巷道內側收斂。5號測站巷道頂底板及兩幫圍巖的變形率分別為21.5%和15.1%,平均變形速率分別為3.0 mm/d和3.3 mm/d,巷道變形量及變形速率為“右幫>底板>頂板>左幫”。4號測站巷道頂底板及兩幫圍巖的變形率分別為14.9%和10.2%,巷道變形量為“右幫>底板>頂板>左幫”,但巷道頂底板和兩幫平均變形速率均為2.2 mm/d.3號測站巷道頂底板及兩幫圍巖的變形率分別為14.9%和9.6%,但巷道頂底板和兩幫平均變形速率均約為2.0 mm/d,巷道變形量為“頂板=左幫>底板>右幫”。2號測站巷道頂底板及兩幫圍巖的變形率分別為12.7%和4.9%,但巷道頂底板和兩幫平均變形速率均約為1.7 mm/d和1 mm/d,巷道變形量為“頂板>底板>左幫>右幫”。且發現巷道各測站變形程度分別為5號測站>4號測站>3號測站>2號測站,表明距離工作面越近,巷道變形越嚴重。

圖8 各測站巷道表面位移

4 巷道支護優化設計

4.1 支護優化設計方案

分析巷道礦壓發現,工作面回采過程中,老窯采空區內外錨桿壓力均表現為巷道左幫肩窩和頂板較高,而左幫、右幫和右幫肩窩低的規律,且巷道位移也表現出左幫及頂板高于右幫的特征。因此,對現有巷道支護設計進行優化[10-11],設計參數如下:

1) 巷道頂部錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距由每排5根調整為每排6根,間排距為950 mm×1 000 mm.

2) 左幫錨桿型號由Φ18 mm×2 000 mm調整為Φ20 mm×2 400 mm,并由每排3根調整為每排4根,間排距為1 000 mm×1 000 mm.

3) 考慮到現場錨桿預緊力不足導致的巷道變形加重,將錨桿預緊扭矩由120 N·m調整為140～150 N·m.

4.2 巷道支護優化參數現場應用

為了分析支護優化方案的合理性,在15303主運巷道開展現場工業性試驗。15303主運巷道為矩形巷道,斷面尺寸為寬×高=5 400 mm×3 400 mm.巷道直接頂為細粒砂巖,厚度7.4～28.7 m;偽頂為泥巖,厚度為0.0～8.1 m;底板為泥巖,厚度為1.0～5.7 m.在15303主運巷道內選取2個60 m的試驗段,兩個試驗段分別采用原支護方案和優化支護方案,然后分析不同支護方案下巷道表面變形情況,以驗證本研究提出的巷道支護方案的有效性。

圖9為15303主運巷道支護優化后巷道變形情況。巷道頂板下沉量為18.7 mm,底板底鼓量為17 mm,左幫收斂量為27 mm,右幫收斂量為10 mm.其中頂底板和兩幫變形速率分別為0.62 mm/d、0.57 mm/d、0.9 mm/d和0.33 mm/d,可見提高預緊扭矩并增加錨桿支護參數后,巷道整體變形量很小,巷道穩定較快,圍巖變形控制效果較好。

圖9 優化設計巷道表面變形

5 結 語

1) 相比于老窯采空區外部巷道,老窯采空區內錨桿壓力普遍較低,且巷道整體變形程度更大。分析可知,老窯采空區內低強度充填體對上覆巖層支撐能力較差,造成巷道圍巖更易破壞,圍巖破壞伴隨著巖體內應力釋放,造成錨桿壓力也更低。

2) 分析了15301輔運巷道內錨桿壓力與巷道位移變化規律,發現相同測站錨桿壓力表現為“左幫肩窩>頂板>右幫肩窩>右幫>左幫”,但不同測站內錨桿壓力值呈現為“2號測站>3號測站>4號測站>5號測站”,表明測站距離工作面的距離越近,錨桿壓力值越小。

3) 基于巷道礦壓顯現特征對巷道非采幫和頂板錨桿支護參數進行優化,現場應用發現,優化后的支護參數對圍巖控制效果較好。