大采高煤层采动状态下小煤柱留巷矿压显现规律.pdf

收稿日期：作者简介：曹鹏（），男，陕西延安人，硕士，助理工程师，现从事采煤方面的工作。大采高煤层采动状态下小煤柱留巷矿压显现规律曹鹏，刘如鹏（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 ）摘要：合理缩减采区保护煤柱的留设尺寸是提高资源回采率的有效措施。为探究采动状态下缩小煤柱的采区巷道围岩的矿压显现规律，以黄陵二号煤矿原综采工作面 保护煤柱优化为 小煤柱的技术工程为例，通过对工作面推进过程中的辅运巷道顶底板与两帮的移进量、锚索的外露长度与载荷变化情况、煤柱内部的支承压力演化趋势进行全方位、多尺度的监测，对巷道围岩变形与采动应力进行了实测分析与研究。结果表明，工作面进入小煤柱区域 区段，除底鼓外未出现大的变形和强矿压显现；辅运巷受采动影响区域为超前工作面 至工作面推进后的 ；辅运巷煤柱帮部深度 的位置为煤柱围岩应力最大集中区域；围岩变形与应力变化随着工作面的推进趋于稳定，初步判断辅运巷应力场与位移场的扩展达到相对均衡的稳定阶段。该研究为缩小煤柱留设宽度和优化巷道支护参数提供了理论依据。关键词：大采高煤层；综采工作面；小煤柱留巷；位移监测；矿压监测中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；第 期曹鹏刘如鹏大采高煤层采动状态下小煤柱留巷矿压显现规律 引言我国煤炭资源浪费严重，保护煤柱损失占比近 ，而缩减保护煤柱宽度是提高煤炭资源回采率的主要途径之一 。受巷道开挖与工作面回采扰动的影响，煤柱会在一定区域内发生塑性破坏从而降低承载能力，因此，应控制煤柱的留设宽度大于塑性破坏区域 。为探究煤柱的塑性发育范围，侯朝炯等 根据极限平衡理论推导出了最小护巷煤柱宽度的计算公式。常瀚文等 指出煤柱的塑性区存在双向发育的特征，进一步提出了煤柱的双侧塑性计算法。在实际工程中，通常采用十字布线、激光测距、锚索应力计、锚杆应力计、煤体应力计等对巷道围岩的位移演化与应力状态等进行整体观测，用以验证煤柱留设宽度的合理性 。回采巷道围岩的监测数据与采动状态有直接联系，在以往的监测分析中，往往忽略了工作面的动态推进长度对巷道位移场与应力场演化的影响。为此，以陕西黄陵二号煤矿 工作面为工程背景，对区段保护煤柱宽度由 优化为 的技术工程进行全方位多尺度的监测分析，探究小煤柱优化后的回采巷道在工作面推进过程中的矿压显现规律，以验证小煤柱留设宽度的合理性，同时为后续小煤柱留设和巷道支护参数的进一步优化提供借鉴。工作面布置及地质概况黄陵二号煤矿 大采高综采工作面是矿井规划的第一个缩减保护煤柱的回采工作面。工作面位于井田三盘区中部，西部、北部为未采区，南部紧邻 工作面，东至三盘区辅运大巷。工作面开采深度 ，可采长度 ，倾向长度 ，留大巷保护煤柱 （回风巷）（胶带 巷）。工 作 面 胶 带 巷 与 辅 运 巷 留 设 煤柱，工作面回风巷与 采空区留设 煤柱，工作面及测站布置如图 所示。工作面煤层厚度 ，倾角为 。老顶为深灰色灰黑色粉砂岩，夹细粒砂岩条带，较坚硬，抗压、抗剪强度较高，厚 。直接顶板为粉砂岩、细粒砂岩，厚度 。?图 工作面布置及测站布置示意 辅运巷留巷监测方案 辅运巷留巷自 切眼导硐向大巷方向布置 个测站，用于观测顶底板移进量监测、两帮移近量监测、锚索外露长度变化监测、锚索载荷变化监测。在 辅运巷留巷 联巷口煤柱侧帮部布置 个测点，用于煤柱的支承压力变化监测。围岩表面位移监测 辅运巷留巷自 切眼导硐向大巷方向均匀布置 个测站，间距为 ，分别为 号、号、号、号测站，每个测站采用“十字法”布置巷道表面位移观测点 。即在顶板和两帮部中部位置各设置一个 深的钻孔，嵌入木楔，用激光测距仪测量顶底板和两帮距离，求出顶底板和两帮移近量。回采期间每天观测一次。锚索外露长度与应力监测在上述每组测站离层仪位置附近施工锚索，顶板滞后 ，施工 根 锚索，帮部滞后 的位置，两帮各施工 根 锚索，不带锁具，回采期间每天观测一次。在上述每组测站的顶板和两帮中部各施工 根锚索，在锁具和托盘之间安装锚索载荷传感器，其中顶板锚索规格 ，两帮部锚索规格 ，回采期间实时陕西煤炭 年监测，上传至矿压监测系统。采动观测方案在 辅运巷留巷 联巷口煤柱侧帮部布置 个煤柱应力监测点，用于监测回采中煤柱不同深度的支 承 压 力，掌 握 回 采 对 煤 柱 采 动 的 影 响 程度 。钻孔深度依次为、，钻孔间距为 ，每孔内安装 台 型煤体应力计。回采期间实时监测，上传至矿压监测系统进行数据收集。辅运巷小煤柱留巷监测结果分析 巷道表面位移监测结果分析图 为 辅运巷顶底板累计移近量变化曲线和两帮累计移近量变化曲线。工作面超前 至推采过测站 顶底板移近量快速上升，呈对数函数的形式逐渐增加，增加速率随工作面的推进长度降低，当工作面推采过测站 后趋于稳定，在后续的推进过程中，巷道围岩的位移无明显变化。顶底板最大移近量为 ，平均移近量为 。工作面超前 至推采过测站的 范围内两帮移近量迅速增加，帮部鼓起约为 。而后，帮部变形速率开始明显降低，受周期来压的影响，巷道帮部的位移呈现台阶式缓慢增加，在工作面推采过测站 后，除 号测站的监测数据仍有少量变化，其余测站的监测数据基本达到稳定状态，两帮最大移近量为 。?图 顶底板累计移近量变化曲线 锚索外露长度监测结果分析利用锚索外露长度变化量分析巷道围岩深部位移，辅运巷顶板锚索外露、煤柱侧锚索外露和采面侧锚索外露长度累计变化曲线如图 所示。?图 锚索外露长度累计变化曲线 顶板锚索孔深 ，两帮部孔深 。工作面在推进到测站的前 范围内，锚索外露长度均无明显变化，当推进过超前工作面 后顶板锚索的外露长度发生小幅度缩短，约为 ，表明工作面的采动影响范围是超前工作面 为起始点。超前工作面 至工作面推采过测站 范围内煤柱侧锚索外露迅速缩短，表明此阶段内煤柱内部发生了明显的塑性破坏，当工作面推采过测站 后锚索的外露长度发生第二次缩短，煤柱侧锚索外露最大缩短量为 。工作面推采过测站 左右时，采面侧锚索外露长度迅速缩短，推采过测站 至 范围内采面侧锚索外露缩短速率增大，随后趋于稳定，采面侧锚索外露最大缩短量为 。锚索应力监测结果分析利用锚索载荷变化量来分析工作面推进期间小煤柱留巷应力变化，辅运巷顶板锚索、煤柱侧锚索和采面侧锚索载荷变化曲线，如图 所示。?图 锚索载荷累计变化曲线 总体上，超前工作面 至工作面推进后 的范围内，锚索所受载荷的变化幅度最为明显，表明此时测点的锚索承受了剧烈的支撑压力扰第 期曹鹏刘如鹏大采高煤层采动状态下小煤柱留巷矿压显现规律动影响，波动范围的最小值为 ，最大值可达 。超前工作面 至 范围内顶板锚索累计载荷变化量迅速达到最大，为 ，随后逐渐降低，当推采过测站 后，载荷基本稳定。超前工作面 至推采过测站 范围内煤柱侧锚索累计载荷变化量迅速达到最大，为 ，随后逐渐降低，当推采过测站 后，载荷基本稳定。超前工作面 至推采过测站 范围内采面侧锚索累计载荷变化量逐步增加，最大为 。工作面推进过测站 后，除采面侧的锚索载荷有显著增加的趋势，顶板与煤柱侧的锚索载荷基本趋于稳定，表明此处的围岩应力场已达到重新平衡状态，工作面继续推进对测点处应力场的影响程度逐渐消除。综上所述，辅运巷留巷顶板和煤柱侧帮部锚索累计载荷变化量变化趋势基本一致，但顶板锚索累计载荷变化量剧增更加迅速，达到稳定区间也更短；而采面侧帮部锚索累计载荷变化量随着推采而逐渐增大；同时，推采过测站 后，采面侧帮部锚索累计载荷变化量大于顶板和煤柱侧。煤柱支承压力监测结果分析图 为 辅运巷煤柱侧帮部支承压力变化曲线。由图可知，测点应力随工作面推进缓慢变化近似于平稳状态，数值约为 ，表明此处煤体的承载能力较强，未进入明显的塑性破坏阶段。、和 测点应力变化规律基本一致，超前工作面 时支承压力逐渐增加，在超前 和 处分别达到最大值，推采过测站 后迅速降低，煤体进入塑性破坏状态，煤柱内部应力快速释放，承载能力迅速降低，由此可知超前工作面 以内为采动影响区域。和 测点支承压力的初始值较低，变化规律均为逐渐减小的趋势，可推断煤柱 和 深处的煤体在进行应力监测前就已经发生了塑性破坏，由于煤体较为破裂，因此承载能力相较于其他测点的检测值较低。测点在超前 处出现骤降，说明受采动影响后出现二次破裂，压力加速释放 。测点的支承压力数值最高，监测的应力数值超过 ，表明巷道围岩应力最大集中在煤体 深处位置。综上，小煤柱支承压力最大为 处，超前工作面 以内为采动影响区。和 处在观测前已经破裂，推采过测点 后，和 处也出现破裂，而 处随着工作面回采推进一直未破裂。?图 煤柱侧帮部支承压力变化曲线 结论（）回采工作面已进入小煤柱留设区域 ，煤柱及留巷顶帮部完整性较好，与 留设煤柱相比较，小煤柱未出现大的变形和强矿压显现现象，辅运巷留巷底鼓量达到 ，趋于稳定，顶板深部无离层现象；两帮部移近量最大为 ，变形趋于稳定。（）回采期间，采动的影响范围为超前工作面 。辅运巷留巷顶板锚索累计载荷变化量最大为 ，煤柱侧锚索累计载荷变化量最大为 ，采面侧锚索累计载荷变化量最大为 。顶板锚索累计载荷变化量增加速率最大、煤柱侧其次，两者均已经稳定，但采面侧帮部持续缓慢增大，当推采过测站 后，反超过顶板和煤柱侧。（）回采期间，辅运巷留巷小煤柱 深处煤体未破裂，支承压力随工作面推进缓慢增大；、和 深处支承压力在超前 和 处分别达到最大值，和 处观测前就可能存在煤体破裂，支承压力逐渐减小，前者在超前 处受超前采动影响后出现二次破裂，支承压力发生骤降。深处的监测点是巷道围岩应力最大集中区域，承受最高的支撑压力。参考文献：陈晓祥，张天，王逸良 窄煤柱沿空掘巷巷道围岩变形影响因素及非对称支护技术研究 河南理工大学学报（自然科学版），（）：田伟宁 窄煤柱沿空掘巷技术在赵庄二号井的应用 山西能源学院学报，（）：，（下转第 页）陕西煤炭 年在线路上产生幅值较高的雷电过电压，危害线路的安全正常运行。（）加装线路避雷器后，相同雷电流幅值下，绝缘子串两侧电压被限制在避雷器残压以下，将不再发生闪络，耐雷水平提高，线路上的雷电过电压也得到有效抑制。（）加装线路避雷器极大地降低线路首末两端变压器上的雷电过电压，有利于保护变压器绝缘。参考文献：段文婷 煤炭资源利用现状及可持续发展 矿业装备，（）：俞胜，梁晖，马恒瑞 考虑环境因素影响的配电线路雷电绝缘防护失效概率计算 智慧电力，（）：王振羽，宋明钰，薄岩，等 线路避雷器与避雷线防雷效果量化比较分析 电力科学与技术学报，（）：琚泽立，吕新良，蒲路，等 陕西地区配电线路新型防雷装置研究与应用 中国电力，（）：罗大强，唐军，许志荣，等 架空配电线路防雷措施配置方案分析 电瓷避雷器，（）：张鉴峰 输电线路综合防雷新技术应用 广州：广东工业大学，罗晓军 高压输电线路的防雷保护 陕西煤炭，（）：刘强，刘守豹，许安，等 电缆与架空混连线路雷击特性分析 电瓷避雷器，（）：刘守豹，吴晓晖，曾宏，等 变压器雷电侵入波过电压及治理措施研究 电瓷避雷器，（）：陈炜炜，周懋坤，詹跃东，等 雷电流数学模型仿真及对比分析 电瓷避雷器，（）：王飞龙 基于 的输电线路耐雷水平仿真研究 科技创新导报，（）：李东坡，张明理 氧化锌避雷器在 变电站中的防雷作用 东北电力技术，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）许博，李国平，杨博 蒋家河煤矿沿空掘巷煤柱留设研究 陕西煤炭，（）：张文才，孙晓龙，孙利辉 厚煤层沿空掘巷窄煤柱宽度研究 煤炭与化工，（）：，侯朝炯，马念杰 煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨 煤炭学报，（）：常瀚文，徐青云 中厚煤层综采沿空掘巷护巷煤柱宽度的确定 煤炭技术，（）：王琦 亭南矿大采高工作面区段煤柱尺寸优化研究 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