杭来湾煤矿大采高综采面回采巷道围岩变形规律

闫鹏佳,薛雄飞,胡志华,刘桂璋,赵志杨,许春宝

(1.陕西有色榆林煤业有限公司,陕西 榆林 719000;2.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

0 引言

煤层开采扰动打破了地层原始应力平衡状态,导致应力重新分布。根据大量的理论和现场实测研究成果,煤层开采后上覆岩层重量将会向采空区四周新的支承点转移,从而在采空区周围形成支承压力带[1-4]。其中在工作面前方形成超前支承压力,随着工作面的推进逐渐向前移动。由于回采巷道超前段处于采动支承压力影响范围内,造成超前段围岩容易发生较大变形,影响巷道支护和工作面正常生产[5-7]。

张玉鹏、孔令海、靖洪文等[8-10]采用理论分析、数值模拟和相似模拟相结合的研究方法,综合确定大采高综采条件下深部特厚煤层的巷道围岩破坏深度。顾士坦、顾国民、王建辉等[11-13]采用理论分析方法研究深部巷道围岩变形的影响因素,并通过数值模拟探讨不同生产地质条件下巷道围岩塑性破坏分布规律,结合灰色度分析方法确定影响巷道围岩变形破坏程度的主要因素分别为开采深度、坚硬顶板厚度、煤层厚度。高峰[14]利用数值模拟方法研究大采高回采巷道在受二次采动影响时围岩的应力分布和移动变形规律。刘亚鹏[15]研究大采高回采巷道上覆岩层破断规律及力学特征。李春意等[16]研究深部大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律,发现沿空巷道围岩位移量与工作面至测站点距离之间符合Slogistic增长函数模型。

目前,对于大采高工作面回采巷道围岩变形规律的研究还处于探索中,以杭来湾煤矿30201工作面为例,采用现场观测方法分别对该工作面胶运回采巷道表面位移及围岩松动圈进行监测,以期为矿井后续工作面开采设计以及巷道支护参数优化提供依据。

1 采矿地质条件

1.1 矿区概况

杭来湾煤矿位于国家重点规划矿区陕北侏罗纪煤田榆神矿区的西南部,地质构造简单,含可采煤层6层,煤炭资源量达13亿t。其中主采煤层3号煤层厚度平均8.56 m。

30201工作面是该矿区302盘区首个大采高工作面,因此对于该工作面回采巷道围岩变形规律的研究,可为剩余大采高工作面布置、顶板控制等提供依据。

1.2 工作面地质条件

30201工作面3号煤层可采煤厚度6.4～8.5 m,平均厚度7.5 m,煤层底板标高(从切眼到主辅回撤通道)为1 017～1 041 m,工作面倾角为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,上覆基岩厚度139～199 m,平均厚度169 m,松散层厚度45～81 m,平均厚度63 m。

煤层直接顶板以粉砂岩、泥岩为主,少量细粒-粗粒长石砂岩,基本顶为延安组第四段底砂岩中粒长石砂岩,厚度大,稳定性较好。直接底板以粉砂岩、泥岩为主,少量细-粗砂岩、碳质泥岩。顶底板岩层分布见表1。

表1 煤层顶底板岩石特征

1.3 工作面开采条件

30201工作面位于井田3号煤层2盘区,沿煤层倾向布置,走向长度5 717.9 m,倾斜长度300 m。沿煤层走向布置胶运巷、辅运巷、回风巷各一条。

2 表面位移变化规律

2.1 测站布置

在30201工作面前方胶运平巷中布置3个测站,胶运平巷第1测站布置在2 940 m里程,第2测站布置在2 890 m里程,第3测站布置在2 860 m里程。每个测站采用十字交叉法对巷道表面位移进行监测,如图1所示。

图1 测站布置示意Fig.1 Diagram of observation station layout

从2022年7月30日早班30201工作面推进至约2 994 m里程时开始监测,距离第1个测站约54 m,直至8月18日工作面推采通过第3个测站。

2.2 顶板变形规律

监测期间胶运平巷顶底板移近量和移近速度曲线如图2所示。

图2 胶运平巷顶底板变形规律Fig.2 Roof and floor deformation law of belt transportation roadway

胶运平巷测站1在距工作面约25 m时顶底板移近量增大至10 mm,在距工作面约3 m处变形增大至约20 mm。距离工作面15 m左右顶底板移近速度开始增加至10 mm/d。

测站2在距工作面38 m处开始发生变形,顶底板移近量增加至20 mm,在距工作面约8 m处,增加至90 mm。距离工作面17 m左右顶底板移近速度开始增加至30 mm/d,然后急剧增大。

测站3在距工作面38 m处顶板移近量增加至2 mm,随着工作面继续推进,开采扰动影响加剧,在距工作面3 m处,顶底板移近量增加至70 mm。距离工作面11 m左右顶底板移近速度开始增加至25 mm/d,然后急剧增大。

2.3 帮部变形规律

监测期间胶运平巷两帮移近量和移近速度曲线如图3所示。

图3 胶运平巷两帮变形规律Fig.3 Two sides deformation law of belt transportation roadway

胶运平巷测站1在距工作面25 m处,两帮移近量开始逐渐增大,由0增加至10 mm,然后保持稳定,在距工作面3 m处增至50 mm。距离工作面15 m处,两帮移近速度达到20 mm/d,然后波动变化。

测站2在距工作面33 m处两帮变形开始增大至10 mm,在距工作面8 m处增大至50 mm。距离工作面17 m处,两帮移近速度达到10 mm/d,然后急剧增大。

测站3在距工作面35 m处两帮开始发生变形,两帮移近量增加至10 mm,随着工作面继续推进,在距工作面3 m处增加至85 mm。距离工作面11 m处,两帮移近速度达到10 mm/d,然后急剧增大。

3 围岩松动圈发育规律

3.1 测站布置

在30201胶运平巷超前工作面3 m、8 m、18 m和53 m各布置1个观测站,如图4所示。

图4 测站布置Fig.4 Layout of observation station

4个测站分别对应采动影响剧烈段、超前支承压力峰值位置、采动影响减弱段、采动影响范围外。每个测站,在两帮中间位置各布置1个窥视孔,孔深4 m;在顶板中间位置布置1个窥视孔,孔深5 m。

3.2 探测结果

3.2.1 测站1

顶板窥视钻孔在孔深0.4 m处发育1条斜向裂隙,0.9 m处发育1条竖向裂隙;孔深1.2 m、1.5 m处孔壁较为破碎,在孔深达到1.9 m时孔壁凸起,阻挡探头;在孔深2.3 m处出现1条横向离层裂隙。

回采帮窥视钻孔分别在孔深0.8 m、1.1 m、1.5 m处均发育有横向离层裂隙;孔深1.8 m处孔壁变窄。

煤柱帮窥视钻孔在孔深0.8 m处发育1条横向的离层裂隙,孔深1.6 m处发育有竖向的裂隙,孔深2.2 m处孔壁出现台阶;孔深2.8 m以内孔壁光滑。

3.2.2 测站2

顶板窥视钻孔在孔深0.7 m处孔壁较为破碎;孔深1.1 m处发育1条横向离层裂隙;孔深1.8 m处发育有1条竖向裂隙;孔深达到1.8 m时孔壁凸起,阻挡探头前进。

回采帮窥视钻孔分别在孔深0.8 m、1.3 m处均发育有竖向裂隙;孔深1.5 m处孔壁较为破碎,1.5 m以内孔壁光滑。

煤柱帮窥视钻孔在孔深0.8 m、1.6 m处孔壁破碎,在孔深2.2 m处出现台阶凸起,孔深2.8 m处孔壁四周较为破碎,孔深达到3.2 m后孔壁基本完好,未见明显裂隙发育。

3.2.3 测站3

顶板窥视钻孔在孔深0.3 m处孔壁缩小;孔深0.5 m以内没有出现明显裂隙发育。

回采帮窥视钻孔分别在孔深0.3 m处孔壁较为破碎,1.3 m处均发育有横向离层裂隙。

煤柱帮窥视钻孔在孔深1.6 m、2.3 m处孔壁均出现台阶凸起,孔深2.3 m以内未见明显裂隙发育。

3.2.4 测站4

顶板窥视钻孔在孔深0.4 m处孔壁破碎;孔深0.4 m以内没有出现明显裂隙发育。

回采帮窥视钻孔孔壁均较为光滑。煤柱帮窥视钻孔在孔深0.8 m处孔壁出现凸起,孔深0.8 m以内未见明显裂隙发育。

3.3 围岩松动圈分布规律

将各个钻孔探测得到的围岩裂隙发育情况通过素描方式绘制,如图5所示。

图5 松动圈范围及裂隙发育素描图Fig.5 Range of loose circle and crack development

距离工作面53 m处(测站4)围岩基本处于初始掘进扰动状态,只在顶板发育有0.1 m左右的松动圈。距离工作面18 m(测站3)开始受到工作面开采扰动影响,在原始扰动范围的基础上发育新的松动圈。距离工作面8 m处(测站2)处于在采动应力扰动下顶板(1.1 m、1.8 m)和回采帮(0.5 m、1.3 m)出现明显的离层裂隙。距离工作面3 m处,围岩破碎带范围继续扩大至约0.5 m,顶板0.9 m、2.3 m处发育有竖向裂隙和横向离层裂隙,回采帮0.8 m、1.1 m、1.5 m处,以及煤柱帮0.8 m、1.6 m处均发育有竖向裂隙。

4 结论

(1)胶运平巷在超前工作面约22～38 m处开始发生变形,初期变形量较小(5～20 mm),临近工作面3～8 m时顶底板最大移近量达到90 mm、两帮最大移进量达到85 mm。胶运平巷3个测站顶底板移近速度分别从15 m、17 m、11 m处急剧增大,两帮移近速度分别从15 m、17 m、11 m处急剧增大。

(2)采用钻孔窥视仪对30201工作面胶运平巷超前段围岩裂隙发育情况进行了观测。结果表明,工作面前方3 m处巷道围岩处于采动影响剧烈阶段;工作面前方8 m处巷道围岩基本处于超前支承压力峰值影响阶段;工作面前方18 m处巷道围岩基本处于超前支承压力减弱段;工作面前方53 m处巷道围岩基本处于原始应力区。

(3)综合分析胶运平巷超前段表面位移变形规律和松动圈测试结果,30201回采巷道采动影响迹象显现范围约为超前18 m,建议30201工作面回采巷道超前支护距离不小于20 m。