王 剛

(山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041207)

近年來，我國礦山行業(yè)發(fā)展迅猛，但煤礦的開采仍舊不乏重大安全事故的發(fā)生，給國家和人民的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重的損害，由礦壓引起的事故發(fā)生率尤為突出，落后的礦壓監(jiān)測手段及數(shù)據(jù)上傳的滯后性都給煤礦帶來了巨大的隱患[1]；同時，煤炭資源的高效利用也備受關注，目前中國煤礦的整體平均回采率僅為發(fā)達國家的一半，傳統(tǒng)留設的厚煤柱造成了資源的極大浪費，也不符合可持續(xù)發(fā)展的利益需求。采用先進的礦壓系統(tǒng)不僅可以有效避免礦壓災害的發(fā)生，同時對于煤柱寬度的合理留設也具有指導意義。

1 煤層概況及礦壓監(jiān)測設備

1.1 工作面概況

黑龍關11號煤層厚度6.76～7.95 m，平均7.45 m，含2～4層夾矸，頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖。目前正在回采的11602工作面南部11601采空區(qū)，北部為11603準備工作面，11602工作面沿煤層底板掘進，寬度為200 m，走向長度1 400 m，該工作面回風巷道為寬×高=4 m×3 m的矩形，運輸巷道為寬×高=5 m×3 m的矩形，護巷煤柱留設寬度20 m，均采用錨網(wǎng)索進行聯(lián)合支護。

1.2 礦壓監(jiān)測設備

黑龍關煤業(yè)井下采用的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)為KJ533型煤礦頂板動態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于煤礦頂板運動各參數(shù)的計算機在線測量系統(tǒng)。

系統(tǒng)將計算機檢測技術、無線和有線數(shù)據(jù)通訊技術和傳感器技術融為一體。實現(xiàn)了復雜環(huán)境條件下對煤礦頂板的自動監(jiān)測和分析、預警。通過監(jiān)測系統(tǒng)及時回傳數(shù)據(jù)進行自主化分析，自動識別判定巷道圍巖安全性，支護的穩(wěn)定性和可靠性，錨桿或支架的工作狀態(tài)等。其動態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測示意如圖1所示。

整套系統(tǒng)監(jiān)測包括綜采支架工作阻力監(jiān)測，巷道頂板位移監(jiān)測、頂?shù)装逡平勘O(jiān)測、巷道錨桿(索)應力監(jiān)測、巷道鉆孔應力監(jiān)測。利用其安全可靠的長距離通信，時延短以及低功耗的特點，以實現(xiàn)對礦壓的監(jiān)測與預警。

2 礦壓監(jiān)測方案的布置

2.1 礦壓監(jiān)測的目的

黑龍關煤業(yè)二水平11號煤層正處于初期回采階段，其首采工作面11601綜放工作面由于實際走向長度僅為820 m，且開采條件四周均為實體煤，其礦壓數(shù)據(jù)的分析對于下一個臨空的回采工作面的借鑒意義甚小，故該監(jiān)測方案布置具有以下目的。

1) 掌握11602工作面回采過程中的回采巷道礦壓分布特征及變化規(guī)律、巷道圍巖表面移近量，護巷煤柱內(nèi)部垂直應力變化情況，為接下來回采的相鄰工作面間的煤柱合理留設寬度提供指導借鑒。

2) 了解巷道在采動影響下的變形情況，根據(jù)礦壓數(shù)據(jù)的分析提前制定巷道的補強措施，保證巷道的正常使用[2]。同時為鄰近工作面巷道提供更為合理的支護優(yōu)化方案。

2.2 監(jiān)測方案

在11602工作面巷道共布置4個測站，1號測站在11602工作面運輸巷道距開切眼270 m處，3號測站在11602工作面運輸巷道距開切眼850 m處，4號測站在11602工作面運輸巷道距開切眼1 430 m處，2號測站在11602工作面回風巷道距11601工作面開切眼420 m位置處，開始每隔5 min向地面?zhèn)鬏斠淮伪O(jiān)測數(shù)據(jù)，圖2為測站的位置布置示意。

圖1 KJ533煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 礦壓監(jiān)測測站布置位置示意

每個礦壓監(jiān)測測站分別布置頂板錨索應力計、頂板錨桿應力計、頂板離層儀、煤柱幫錨桿應力計、煤柱幫鉆孔應力計各1個，測站布置設備如圖3所示。

圖3 礦壓觀測站設備布置示意

定期對4個測站中的頂板離層儀、圍巖應力計和錨桿/索應力計進行讀數(shù)、記錄和分析。從而確定11602工作面護巷煤柱寬度和支護方式的選擇是否合理，圍巖控制能否滿足工作面正常生產(chǎn)要求，為黑龍關煤業(yè)之后開展小煤柱護巷提供科學依據(jù)，提高煤炭采出率和經(jīng)濟效益。

3 實測數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 初期回采階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

工作面初采期間，構(gòu)造發(fā)育明顯，頂板多為黃泥矸土且極為破碎，工作面割煤引起后方頂板大量漏矸，嚴重影響割煤進度；同時回傳數(shù)據(jù)中頂板離層儀、鉆孔應力計、錨桿應力計的數(shù)據(jù)幾乎無變化，錨索受力在超前工作面80 m處開始增加，初步判定11602綜放工作面的超前支承壓力的擾動范圍為煤壁前方80 m處[3]。著眼于此情況，采用三維坑透技術對11602工作面進行了坑透。

結(jié)果顯示，距切眼850 m范圍內(nèi)的煤層頂板多處出現(xiàn)異常，頂板完整性差，企業(yè)決定切眼850 m范圍內(nèi)不進行放煤工作，1號測站位置恰好位于頂板異常區(qū)內(nèi)，故1號測站基本無效。

3.2 回采中期礦壓分析

工作面回采至距3號測站15 m時，拆除3號測站并對回傳數(shù)據(jù)整理分析，頂板離層量變化曲線、鉆孔應力變化曲線、錨桿索應力變化曲線如圖4所示。

圖4監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工作面推進至距3號測站100 m前，頂板離層量始終維持在1.5 cm隨著回采的推進，頂板離層量呈持續(xù)上升趨勢，測站拆除前頂板離層量達到峰值40 cm。從巷幫鉆孔應力上傳數(shù)據(jù)可知，工作面推進距測站120 m前，巷道圍巖應力基本未發(fā)生變化；隨著距測站的距離進一步縮短，圍巖應力減小，考慮是在地應力持續(xù)作用下，巷幫煤體進入塑性狀態(tài)；3號測站進入工作面超前應力影響區(qū)范圍內(nèi)，巷幫松散的煤體又在回采擾動下重新壓實，應力驟升，在到達3號測站前方15 m處達到峰值7.1 MPa，直至拆除測站前，下降至4.5 MPa，這說明工作面即將回采至測站處時，巷道煤柱幫3 m范圍內(nèi)煤體并未完全進入塑性狀態(tài)。對比錨桿索間的應力變化情況可知，在推進至距測站125 m前，錨桿索受力基本未受影響；工作面推進距測站90 m開始異動，均在工作面距測站18 m左右達到應力峰值。

上述3號測站實測數(shù)據(jù)表明，11602綜放工作面超前支承壓力影響范圍約90 m，其峰值位置一般在煤壁前方18 m處，且錨索、頂錨桿、幫錨桿在超前應力峰值點處分別達到134 kN、97 kN、107 kN，支護體系足以承載工作面回采引起的應力擾動。

3.3 末采階段前礦壓分析

2號、4號測站距停采線約30 m，工作面即將進入末采階段，當班作業(yè)完成后拆除測站，并對兩個測站回傳數(shù)據(jù)進行比較分析。

對比圖5兩測站頂板離層情況發(fā)現(xiàn)，4號測站在150～100 m過程中累計離層13 cm，2號測站未發(fā)生明顯離層，認為是11603工作面運輸巷道的存在及本工作面回采擾動的共同作用對測站圍巖產(chǎn)生了影響；當工作面推進至距測站25 m時，兩測站頂板離層量均驟升直至測站拆除，2號、4號頂板離層量分別為40 cm和50 cm，仍在可控安全范圍內(nèi)，因此留設20 m區(qū)段煤柱能夠保證兩側(cè)巷道的頂板穩(wěn)定[4]。

圖5 11602工作面距2號、4號測站不同距離時頂板離層量變化情況

分析圖6兩測站的圍巖應力變化情況發(fā)現(xiàn)：在距兩測站150～100 m推進過程中，4號測站巷幫圍巖在下個工作面已掘且處于穩(wěn)定階段的巷道和工作面的回采雙重影響下出現(xiàn)應力波動，2號測站無明顯變化。在推進至距測站50 m時，受工作面超前支承壓力影響，圍巖應力均上升，煤柱幫峰值均在7 MPa左右，可以看出留設20 m煤柱下的沿空巷道并未對煤柱幫圍巖造成大幅影響，且20 m煤柱能夠保證其在上區(qū)段工作面回采及沿空巷道的掘進作用下保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 11602工作面距2號、4號測站不同距離時圍巖應力變化情況

從圖7錨桿索的受力情況分析，仍可以驗證上述觀點，即在回采工作面及沿空巷道的影響下[5]，4號測站的錨桿索應力均出現(xiàn)30%左右的增幅，隨著掘進擾動穩(wěn)定錨桿索受力開始下降，2號測站不在沿空巷道擾動范圍內(nèi)，故未出現(xiàn)明顯波動；在距測站50 m時，回采擾動顯著，應力均大幅增加，兩測站錨桿索應力峰值基本相同且在合理范圍內(nèi)，進一步證實了20 m寬的區(qū)段煤柱足夠保證工作面的正常推進，且煤柱寬度存在優(yōu)化空間[6]。

圖7 11602工作面距2號、4號測站不同距離時錨桿索應力變化情況

4 結(jié) 語

1) 工作面回采過程中，11602工作面的超前支承壓力影響區(qū)范圍在80～90 m處，其峰值出現(xiàn)在煤壁前方15～20 m處，頂板離層量、圍巖應力及錨桿索受力均在安全范圍內(nèi)，20 m寬的區(qū)段煤柱能夠保證工作面的正常推進。

2) 錨桿索應力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在整個回采階段，錨桿索受力良好，并不會在工作面超前支承壓力的影響下發(fā)生破斷屈服；巷幫鉆孔應力計在拆除測站前仍有讀數(shù)，說明巷幫3 m范圍內(nèi)煤體未完全進入塑性狀態(tài)，因此，煤柱的寬度存在優(yōu)化空間，該礦壓規(guī)律可指導該礦的正常生產(chǎn)。