沿空留巷矿压监测与显现规律研究.pdf

收稿日期 ２ ０ ２ ０ ０ ４ ２ ３ 作者简介 常 餠（ １ ９ ８ ２－ ） ， 男， 山西晋城人， 工程师， 从事煤矿安全生产管理工作。 ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５－ ２ ７ ９ ８ ． ２ ０ ２ ０ ． ０ ９ ． ０ ３ ４ 沿空留巷矿压监测与显现规律研究 常 餠 （ 山西兰花科技创业股份有限公司 唐安煤矿分公司， 山西 高平 ０ ４ ８ ４ ０ ７ ） 摘 要 文章以唐安煤矿 ３ ３ ０ ７工作面沿空留巷工程实践为背景， 采用现场实测的研究方法， 对沿空留巷巷 道表面位移、 巷道单体支柱支护阻力、 顶底板及两帮内部特征、 充填体压力、 侧向支撑压力进行监测和分 析， 对沿空留巷矿压显现和岩层移动规律进行分析。 关键词 沿空留巷； 矿压显现； 围岩变形； 压力 中图分类号 Ｔ Ｄ ３ ５ ３ ； Ｔ Ｄ ８ ２ ３ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １ ０ ０ ５ ２ ７ ９ ８ （ ２ ０ ２ ０ ） ０ ９ ０ １ ０ ４ ０ ３ 山西兰花煤炭实业集团有限公司唐安煤矿， 采 用一矿一井一面模式生产。矿井采用斜井开拓， 采 用综采放顶煤， 井下一个综放面、 三个综掘面和一个 开拓面。随着井下地质条件和现实生产需要， 唐安 煤矿当前面临的生产难题也日趋明显。为了确保高 瓦斯煤层的安全开采， 目前普遍采用“ 采前预抽、 高 位裂隙抽， 上隅角埋管抽” 等方法相结合的瓦斯综 合治理技术。但是该技术一方面依然没有从本质上 解决上隅角瓦斯超限问题， 只能通过限产来确保安 全生产； 另一方面， 瓦斯治理花费高， 煤矿企业吨煤 成本太高， 不利于新常态下矿井的健康发展。鉴于 以上所述， 需采用柔模混凝土沿空留巷工艺来解决 上述困难。 唐安煤矿留巷因横断面较大、 顶板煤层厚度较 大， 煤质酥软， 导致留巷煤帮和顶板变形较为严重、 围岩破碎， 为确保矿井的安全、 高效生产， 现对该矿 ３ ３ ０ ７综采面沿空留巷巷道进行压力观测， 以保证矿 井安全生产。 １ 工程地质与开采条件 １ ． １ 矿井地质条件 井田位于华北板块山西板内造山带沁水板拗太 行块隆西侧， 其紧邻东南侧的晋获褶断带。因受区 域地质构造影响， 井田内的地质构造相对复杂， 总体 上呈背、 向斜相间的褶曲构造， 其中 ８个次一级背、 向斜构造， ２ ６条断层和 ９ ３个陷落柱。矿井水文地 质类型为中等。 １ ． ２ 煤层及顶底板情况 本工作面开采煤层为 ３号煤， 赋存于下二叠系 山西组地层， 为陆相湖泊沉积， 为特发热量高的无烟 煤三号（ ＷＹ ３ ） ， 其煤层结构较为简单， 有 ０～ ２层的 矸石夹层， 为泥岩， 煤层所属层位、 厚度均很稳定。 煤层煤尘无爆炸性， 属不易自燃煤层。 该工作面煤层伪顶为泥岩 厚度 ０～ ０ ． ６ ４ｍ ， 黑 色、 性脆， 具均匀层理， 可随着回采垮落； 直接顶为泥 岩 黑色、 细腻， 性脆， 具均匀层理， 平均的厚度大约 ３ ． ０ １ｍ ； 老顶为细粒砂岩 颜色发灰， 主要为石英， 其 次为长石， 夹黑色泥纹， 平均厚度为 ８ ． ９ ８ｍ 。直接 底是泥岩 颜色发黑， 断口状态为平坦， 厚度平均为 ６ ． ６ ５ｍ ； 老底泥岩 颜色发黑， 脆且致密， 夹粉砂纹 线， 水平层理发育。 ２ 矿压监测方案 ２ ． １ 监测内容 １ ） 巷道表面位移监测， 主要包括巷道顶、 底 板变形量， 两帮收缩量， 分析沿空巷道围岩变形规 律； ２ ） 巷道单体支柱支护阻力监测； ３ ） 充填体压力监测； ４ ） 侧向支撑压力监测。 ２ ． ２ 监测方案 ２ ． ２ ． １ 巷道表面位移监测 观测工作面采动对沿空巷道变形的影响， 包括 巷道顶、 底板变形量， 两帮收缩量， 分析沿空巷道围 岩变形规律。 １ ） 现场测点布置。在 ３ ３ ０ ７工作面回采留巷 期间， 安设 ３组表面位移测站， 测站布置见图 １ 。采 煤工作面前方布置 ３个测站， 测站 １ 、 测站 ２ 、 测站 ３ 距离工作面分别为 ６ ０ｍ 、 ５ ０ｍ 、 ４ ０ｍ ， 用于监测巷道 受采动影响阶段及采动影响稳定阶段围岩变形规 律； 采煤工作面后方每间隔 ２ ０ｍ布置一个测站， 共 ５个测站， 用于监测巷道受采空区岩层顶板破坏影 ４０１ 问题探讨 总第 ２ ５ ３期 响阶段及稳定阶段围岩变形规律。 图 １ 表面位移测站布置 ２ ） 现场监测方法。表面位移测量采用“ 十” 字 布点法， 如图２ 所示。 图 ２ 巷道变形测站布置剖面 ２ ． ２ ． ２ 巷道单体支柱支护阻力监测 １ ） 现场测点布置。３ ３ ０ ７ 工作面轨道巷超前支 护方式为单体支柱支护， 在单体柱上安装压力监测 仪， 测点在轨道巷超前工作面２ ０ｍ处开始布置； 留巷 内的支护方式为单体支柱和柔模墙体支护， 在单体柱 上安装压力监测仪， 在工作面后方柔模墙体边缘处每 隔２ ０ｍ布置一个测点， 共 ５个。图 ３为单体柱工作 阻力监测示意图。 图 ３ 单体支柱工作阻力监测 ２ ） 现场监测方法。采用 Ｔ Ｃ Ｐ－ ４ ０型单体支 柱阻力增压检测仪。３ ３ ０ ７工作面轨道巷内沿倾向 方向设有 ４根单体柱， 故每个测点都对应一排 ４根 单体柱， 每次数据采集都应对 ４根单体柱进行全部 采集， 采集该项工作安排专人进行采取， 定期采取数 据。 ２ ． ２ ． ３ 充填体压力监测 测点位于柔模墙体之下， 打柔模墙之前在墙体 下装入 ３个 Ｇ Ｈ－ １ ０ ０ ０压力盒液压枕， 沿墙体宽度 方向并排放置作为一个测点， 液压枕上下铺设 １～ ２ｃ ｍ 的细沙确保液压枕均匀受力， 液压枕传感器的 线路用碎煤渣掩埋， 并进行编号， 沿工作面推进方向 由采空区向巷道依次编号， 即 Ａ １号、 Ａ ２号、 Ａ ３号、 Ｂ １号、 Ｂ ２号、 Ｂ ３号、 Ｃ １号、 Ｃ ２号、 Ｃ３号， 其中 Ａ 、 Ｂ 、 Ｃ为测站号， １ 、 ２ 、 ３为压力传感器号（ 如图 ４ ） 。 图 ４ 充填体测点布置 ２ ． ２ ． ４ 侧向支撑压力监测 １ ） 现场测点布置。现场应力观测点布置在 轨道巷下帮内， 利用 Ｇ Ｍ Ｃ－ ２ ０型钻孔应力计监测下 帮煤体内侧向支承压力分布情况。巷内分别布置两 个钻孔应力测站， 测站均向着轨道巷下帮布置（ 即 下工作面煤壁内） ， 每个钻孔应力测站布置 ３个测 点， 钻孔编号为 １号， ２号， ３号， 现场钻孔应力计布 置如图 ５所示。 图 ５ 钻孔应力计布置 ２ ） 施工钻孔参数。使用风钻或麻花钻施工 Ｄ ４ ２钻孔， 为了能够更加全面的监测煤体应力分布 特征， 钻孔测点深度依次为 １ ５ｍ ， １ ０ｍ ， ５ｍ 。相邻２ 个测点之间相距 ５ ｍ ， 钻孔应力测点在工作面超前 ６ ０ｍ 左右开始布置。相邻两个测站之间相距 ２ ０ｍ ， 以避开测站之间的影响。 ３ 矿压监测数据分析 ３ ． １ 巷道表面位移分析 通过在留巷内所设测点对巷道表面变形量进行 监测， 对比各个测点所得数据， 使用 ３号测点所得数 据分析沿空留巷巷道表面变形规律并绘制变形曲线 如图 ６所示。 ５０１ ２ ０ ２ ０年 ９月 常 餠 沿空留巷矿压监测与显现规律研究 第 ２ ９卷第 ９期 图 ６ 巷道围岩变形曲线 图 ６中各图横坐标为所选 ３号测点距工作面的 距离。由图（ ａ ） 可知， 随着工作面的不断推进， 测点 距工作面的距离逐步加大， 巷道顶板的变形量也随 之不断增大， 距离工作面５ ０ｍ左右时巷道顶板变形 速度最大， 当工作面推进至距测点９ ５ｍ以后巷道顶 板变形趋于稳定， 最终稳定于 ２ １ ６ｍ ｍ ； 由图（ ｂ ） 可 知， 巷道底板变形随着工作面的不断推进而不断增 加， 但是巷道底板稳定时间早于顶板， 当工作面推进 至距测点 ５ ５ｍ时底板变形即趋于稳定， 稳定于 ３ ５ｍ ｍ ； 由图（ ｃ ） 可知， 巷道两帮移近量随着工作面 的不断推进（ 即与测点的距离不断加大） ， 两帮移近 量不断增加， 当工作面推进至距测点４ ５～ ５ ０ｍ时两 帮移近速度最大， 当工作面推进至距测点９ ０ｍ处时 两帮移近量趋于稳定， 稳定于 １ ２ ４ｍ ｍ ； 由图（ ｄ ） 可 知， 随着工作面的不断推进， 充填墙体的变形量不断 增大， 当工作面推进至距测点 ９ ５ ｍ处时充填墙体变 形最为剧烈， 直至工作面推进至距测点 １ ０ ５ｍ处时 充填墙体变形趋于稳定， 稳定于 ７ ２ｍ ｍ ， 同时充填墙 体的变形呈现出明显的阶段性， 这是因充填墙体上 部顶板周期性破断所导致， 由图可知， 工作面平均每 推进 １ ５ｍ顶板会发生破断。 ３ ． ２ 巷道单体柱支护阻力分析 按照上节所定监测方案对留巷巷道内的单体支 柱进行监测， 因巷道内所设单体支柱数量大且支设 时人为原因以及单体柱自身原因导致数据存在较大 误差， 因此需提前对所取数据进行筛选再进行分析， 筛选后数据绘制折线图如图 ７ 。 图 ７ 单体柱支护阻力分布 图 ７中横坐标轴表示距工作面距离。由上图可 知， 单体支柱的支护阻力在留巷巷道内沿工作面推 进方向可以分为三个区域， 从工作面开始到后方 ５ ０ｍ 处为压力增高区， ５ ０ｍ处至 １ ５ ０ｍ处为初次稳 定区， １ ５ ０ｍ至 ２ ０ ０ｍ处为再次稳定区， 三个区域的 分布皆因顶板向上逐层破断所致。在１ ５ ０ｍ之后单 体柱压力再次稳定后， 单体柱的工作阻力保持在 １ ５Ｍ Ｐ ａ 左右， 支护阻力依然较大， 故此时单体柱不 能回撤。 ３ ． ３ 充填墙体压力分析 监测充填墙体的压力盒一排三个沿墙体宽度方 向放置， 由于压力盒摆放位置不同， 故三个压力盒所 监测墙体压力有一定差别， 经过综合对比分析， 决定 采用 ５号压力盒的数据进行充填墙体受力分析， 所 得数据绘制折线图如图 ８所示。 由图 ８可知， 充填墙体在构筑完成之后压力随 即急剧增大， 紧接着又急剧减小， 由此压力变化可知 充填墙体在支撑顶板且因完成（ 下转第 １ ２ １页） ６０１ ２ ０ ２ ０年 ９月 常 餠 沿空留巷矿压监测与显现规律研究 第 ２ ９卷第 ９期 杂底板掘进机的自主纠偏理论和实现方法， 设计构 建动态且多目标的优化进化方法， 对构建的控制系 统模型进行求解， 得出符合履带调整约束的控制参 数和纠偏对策， 提出在掘进过程中以多缸同步进行 控制为基础的掘进机俯仰位姿非连续控制的方法， 以各关键参数（ 位姿、 决策参数和控制） 为依据的远 程操控和精准导控实验检验［ ２ ］。 ３ ） 故障诊断和工况检测技术分析。借助微 型电子计算机实现多项功能， 包括传输控制、 数据的 采集、 健康的监控、 处理显示以及故障查找诊断等。 通过可编程的逻辑控制器处理各传感器的信号， 显 示并控制实际运行的工况， 在产生故障时， 通过电控 箱中的开关装置， 关闭电动机。通过这一系列的过 程能够充分实现断面监控、 自动调节电机功率、 离机 遥控操作以及工况的监测与故障的诊断等一系列功 能。与此同时， 电控系统还有助于掘进机常见故障 的分析， 构建一个基于振动量问题诊断与预知维修 局域网系统， 据此来实现实时监测并采集一些关键 零部件的转速、 振动加速度等信号， 并在相应的时间 内分析出运行状态报表及趋势， 并在有异常产生时 对故障数据进行保存并发出报警。 ４ 结 语 由于煤矿巷道掘进过程中产生的诸如效率低、 时间长、 无法进行掘装与锚护平行作业以及自动化 程度低等一系列问题， 本文提出以摇臂式掘进机为 核心的同步进行掘进和支护作业的系统， 即综合钻 机锚护功能和摇臂式掘进机掘装功能， 并通过一系 列配套技术实现巷道高效快速掘进。以期为巷道掘 进作业效率的提高提供一种思路。 参考文献 ［ １ ］ 王宾涛． 巷道过陷落柱施工工艺及支护优化［ Ｊ ］ ． 煤矿 现代化， ２ ０ ２ ０ （ ３ ） ３ ３－ ３ ５ ． ［ ２ ］ 张雅彬． 浅述巷道支护技术在井下掘进中的应用研究 ［ Ｊ ］ ． 当代化工研究， ２ ０ １ ９ （ １ ６ ） ６ ６－ ６ ８ ． ［ 责任编辑 王伟瑾 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 ］ （ 上接第 １ ０ ６页） 切顶所以造成墙体所受顶板压力减 小， 但是由于工作面的不断推进， 采出空间不断增 大， 导致直接顶以上各层顶板不断变形失稳破断， 从 而导致充填墙体所受压力不断增大， 顶板活动稳定 之后， 墙体所受压力也随之趋于稳定。 图 ８ 充填墙体压力变化 ３ ． ４ 侧向支撑压力分析 按照预定监测方案， 在不同位置打深度不等的 钻孔。由于钻机在钻进时无法保持绝对的水平， 会 有一定的仰角； 同时由于煤质较软， 长距离钻进时会 发生踏空现象， 导致钻孔钻进完成后钻杆无法拔出 和钻进时卡钻现象的发生。在安装监测仪器时， 由 于钻孔内部情况不明， 仪器无法送至预定位置， 且仪 器装设过程中对钻孔产生了一定的破坏， 导致钻孔 内产生大量的裂隙。钻孔的仰角和塌孔导致最终封 孔时封孔材料无法到达仪器所在位置， 进而使仪器 在煤体内无法得到有效接触， 故无法获得有效的监 测数据。 ４ 结 语 １ ） 通过现场实测分析得出工作面后方约 １ ５ ０ｍ 左右巷道开始趋于稳定， 但稳定后单体柱依然 保持较大的工作阻力； 巷道顶板 ２ｍ范围内离层明 显； 周期来压为 ５ ０ｍ左右。 ２ ） 根据现场情况留巷内的单体柱暂时不能回 撤； 巷旁充填体在后期发生倾斜， 稳定性不足， 需增 加其宽度以提高稳定性。 ［ 责任编辑 王伟瑾］ １２１ ２ ０ ２ ０年 ９月 王劭波 矿井巷道掘进与支护同步作业探析 第 ２ ９卷第 ９期