深部沿空掘巷回采期間礦壓分析與研究

摘

要：沿空掘巷是我國(guó)煤礦回采巷道布置和維護(hù)的一種技術(shù)，其目的是為了將巷道與采空區(qū)隔離。把巷道布置在位于靠煤柱一側(cè)的低應(yīng)力場(chǎng)，便于巷道維護(hù)，減少變形量。其中關(guān)鍵是嚴(yán)格控制煤柱寬度。煤柱寬度對(duì)巷道的維護(hù)狀況起決定作用，若煤柱過(guò)小，由于靠采空側(cè)的煤柱受支承力的影響已呈塑形，容易失穩(wěn)，片幫嚴(yán)重，若煤柱過(guò)大，則回采巷道布置在壓力增高區(qū)內(nèi)，將使巷道壓力大，支護(hù)困難。為此國(guó)內(nèi)外針對(duì)沿空掘巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)、煤柱尺寸留設(shè)和巷道圍巖控制等方面進(jìn)行了諸多研究。傳統(tǒng)的留寬煤柱護(hù)巷技術(shù)，由于留設(shè)的煤柱尺寸較大，不僅造成大量資源浪費(fèi)，而且在回采后容易形成應(yīng)力集中，回采巷道處于高支承壓力區(qū)，巷道維護(hù)困難。隨著對(duì)煤炭采出率及回采巷道的支護(hù)安全等方面的要求不斷提高，無(wú)煤柱、小煤柱護(hù)巷技術(shù)對(duì)于提高煤炭回采率以及保證煤炭資源安全回采等方面具有重要意義。本文以安居煤礦二采區(qū)南翼1311-2工作面為例，針對(duì)工作面埋藏深度大的問(wèn)題，分析了該工作面回采期間特定煤柱尺寸下沿空掘巷礦壓顯現(xiàn)情況，為后續(xù)煤柱尺寸選取和巷道支護(hù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。Keys：沿空掘巷、微震、巷道變形、應(yīng)力1采區(qū)及工作面概況二采區(qū)位于礦井東北部，西側(cè)為一采區(qū)，南側(cè)為FX24斷層，東側(cè)、北側(cè)為井田邊界。采區(qū)南北長(zhǎng)約4.7km，東西寬約1.4km，面積約4.25km2。二采區(qū)位于井田東北部，水文地質(zhì)單元東部邊界FX24斷層為西升東降正斷層，區(qū)域內(nèi)落差約90-110m。區(qū)內(nèi)3煤與區(qū)外二疊系上統(tǒng)石盒子組地層接觸，斷層不導(dǎo)水。采區(qū)北、西、南邊界無(wú)大型斷層發(fā)育。根據(jù)《安居煤礦二采區(qū)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及防沖設(shè)計(jì)（補(bǔ)充報(bào)告）》，得到二采區(qū)沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)Wt=0.52，沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)為中等沖擊地壓危險(xiǎn)，其中，地質(zhì)因素影響為主要影響因素。1311-2工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤工藝，一次采全高回采，全部垮落法管理頂板。工作面東側(cè)為FX23斷層，西側(cè)為1309-2采空區(qū)，南側(cè)為1311-1（外）、1309-1采空區(qū)，工作面寬90m。1311-2工作面軌道順槽為沿空掘巷，與1309采空區(qū)之間留設(shè)有5m寬的小煤柱。2.回采期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析主要從兩順槽微震事件分布情況及誘發(fā)的能量大小及主動(dòng)波CT反演應(yīng)力分布情況等方面分析礦壓顯現(xiàn)情況。2.1微震監(jiān)測(cè)情況將工作面沿縱向從中部分開(kāi)，劃分為沿空側(cè)與非沿空側(cè)兩個(gè)區(qū)域，進(jìn)行微震事件各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比，分析兩側(cè)煤體的應(yīng)力集中情況。2.1.1微震事件分布情況（1）對(duì)近三個(gè)月的微震事件縱向分布情況對(duì)比可以看出，工作面非沿空側(cè)的微震事件數(shù)量均大于沿空側(cè)的微震事件數(shù)量，且非沿空側(cè)微震事件較為集中，而非沿空側(cè)微震事件較分散。說(shuō)明沿空側(cè)應(yīng)力分布較為均勻，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中，而非沿空側(cè)應(yīng)力主要分布在工作面超前60米至120米，應(yīng)力分布相對(duì)集中，容易誘發(fā)沖擊地壓。（2）對(duì)近三個(gè)月的微震事件橫向分布情況對(duì)比可以看出，受超前集中應(yīng)力影響，沿空側(cè)微震事件主要分布在工作面實(shí)體煤側(cè)，1309-2工作面采空區(qū)側(cè)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，能量事件較少，而非沿空側(cè)巷道應(yīng)力則分布在巷道兩側(cè)，受回采擾動(dòng)及周邊構(gòu)造影響，發(fā)生沖擊的概率稍高。（3）10000J以上的大能量事件主要分布在沿空側(cè)區(qū)域，這主要是受1311-2工作面與1309-2工作面聯(lián)合采空區(qū)影響，大能量事件主要發(fā)生在聯(lián)合采空區(qū)中部，所以靠近沿空側(cè)的大能量事件稍多。2.1.2微震能量對(duì)比分析2022年7月-2022年9月，1311-2工作面沿空側(cè)發(fā)生震動(dòng)事件分別為52次、136次及44次，平均約77次，月度總震動(dòng)能量分別為1.27E+05J、2.88E+05J及1.49E+05J，平均震動(dòng)能量1.88E+05J，最大能量4.95E+04J。2022年7月-2022年9月，1311-2工作面非沿空側(cè)發(fā)生震動(dòng)事件分別為125次、262次及197次，平均約194次，月度總震動(dòng)能量分別為1.81E+05J、4.50E+05J及4.40E+05J，平均震動(dòng)能量3.57E+05J，最大能量1.78E+04J。表1

1311-2工作面沿空側(cè)與非沿空側(cè)微震數(shù)據(jù)對(duì)比表序號(hào)類(lèi)別沿空側(cè)非沿空側(cè)對(duì)比結(jié)果1月平均頻次77194沿空側(cè)低61.86%2月平均總能量1.88E+05J3.57E+05J沿空側(cè)低47.34%3最大能量4.95E+04J1.78E+04J非沿空側(cè)低64.04%經(jīng)過(guò)對(duì)工作面兩側(cè)微震數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，沿空側(cè)的微震頻次及總能量均低于非沿空側(cè)，而最大能量高于非沿空側(cè)，最大能量事件均發(fā)生在采空區(qū)，這主要是受1311-2工作面及1309-2工作面聯(lián)合采空區(qū)的影響引起采空區(qū)中部上覆巖層頂板破斷損傷，導(dǎo)致最大能量事件偏向于沿空側(cè)。總體來(lái)看，沿空側(cè)煤體應(yīng)力表現(xiàn)較為穩(wěn)定，分布均勻，不易出現(xiàn)超前應(yīng)力集中情況，而非沿空側(cè)超前應(yīng)力在某些區(qū)段存在集中情況，在回采擾動(dòng)及周邊特殊構(gòu)造的疊加影響下更易產(chǎn)生微震事件。2.2主動(dòng)波CT反演下應(yīng)力表現(xiàn)對(duì)比主動(dòng)波CT反演是利用地震波射線對(duì)工作面的煤巖體進(jìn)行透視，通過(guò)地震波走時(shí)和能量衰減的觀測(cè)，對(duì)工作面的煤巖體進(jìn)行成像。地震波傳播通過(guò)工作面煤巖體時(shí)，煤巖體上所受的應(yīng)力越高，震動(dòng)傳播的速度就越快。通過(guò)震動(dòng)波速的反演，可以確定工作面范圍內(nèi)的震動(dòng)波速度場(chǎng)的分布規(guī)律，根據(jù)速度場(chǎng)的大小，可確定工作面范圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的大小，從而劃分出高應(yīng)力區(qū)和高沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，為這種災(zāi)害的監(jiān)測(cè)防治提供依據(jù)。依次以藍(lán)綠黃紅色為從小到大來(lái)代表探測(cè)區(qū)域內(nèi)地震波波速，不同區(qū)域煤體的波速差異性反應(yīng)了物理力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)的差異性。1311工作面皮帶順槽（非沿空側(cè)）的整體波速異常系數(shù)大于軌道順槽（沿空側(cè)），且波速異常范圍亦較大。根據(jù)主動(dòng)CT反演的整體結(jié)果，綜合構(gòu)造、卸壓工程等因素的復(fù)合影響，1311-2工作面皮帶順槽（非沿空側(cè)）的應(yīng)力值高于軌道順槽（沿空側(cè)）。3.巷道變形量對(duì)比分析采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)表面位移。頂板及兩幫測(cè)點(diǎn)均用紅漆標(biāo)注，測(cè)量時(shí)保持鋼卷尺直。通過(guò)對(duì)比兩個(gè)測(cè)點(diǎn)幫部的巷道移近量，可以看出，回采期間隨著工作面的推近，實(shí)體煤側(cè)巷道變形量呈逐步增大趨勢(shì)，最終在距離工作面15米左右時(shí)趨于穩(wěn)定，移近量變化不大；而沿空側(cè)巷道變形較少，甚至有的測(cè)點(diǎn)基本未出現(xiàn)變化，說(shuō)明掘進(jìn)期間沿空側(cè)煤體應(yīng)力已基本被釋放，處于低應(yīng)力狀態(tài)，回采期間應(yīng)力主要在實(shí)體煤側(cè)積聚。4.結(jié)論（1）沿空掘巷巷道受臨近采空區(qū)影響較小，主要受本工作面回采