綜放順槽采動影響變形規(guī)律的實測研究

1、綜放順槽采動影響變形規(guī)律的實測研究靖洪文，汪小東，宋錦虎，王書磊（中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）摘 要：根據(jù)大陽煤礦綜放面布置的具體條件，采用現(xiàn)場實測的方法，對綜放回采巷道在回采過程中的圍巖表面和內(nèi)部變形進行了實測研究，得出了巷道圍巖在回采期間的變形規(guī)律，對改善回采巷道的維護和煤礦安全生產(chǎn)有著積極的意義。關(guān)鍵詞：綜放；變形規(guī)律；位移監(jiān)測；松動圈厚度 Field Measurement of Surrounding Rock Deformation of Tailgate Affected by Mining ActionJing Hongwen , Wang xiaodo

2、ng, Song jinhu ,Wang shulei（School of Architecture & Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China）Abstract: With special consideration of the engineering practical characteristics of Dayang coal mine, based on the field experiment the deformation law of tailgate

3、 of the fully-mechanized top-coal caving face affected by mining action is proposed in this paper. The results of back analysis provide guidance on design and retain of tailgate and assessment on the security of mining action.Keywords: fully-mechanized top-coal caving; Deformation law; displacement

4、monitoring; thickness of the loosen zone 1概述山西蘭花集團公司大陽煤礦位于山西省澤州縣大陽鎮(zhèn)，礦區(qū)距市區(qū)35km，是一座高產(chǎn)高效礦井，年生產(chǎn)能力達到150萬t/a。該礦3102綜采放頂煤工作面開采3號煤，煤層平均厚度6.0m，煤層傾角312，普氏硬度系數(shù)f2，煤層賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單。老頂為中砂巖，平均厚度8.89m，灰色，硅鈣質(zhì)膠結(jié)，局部含有大量白云母片，有時含炭質(zhì)條帶。直接頂為泥巖，灰黑色，局部有粗粉砂巖，中上部有小煤一層，平均厚度4.5m。直接底為灰黑色泥巖或細粉砂巖，老底為中砂巖。工作面運輸巷斷面為梯形，設(shè)計凈斷面規(guī)格為3.24.42.8m（上寬

5、下寬高），凈斷面面積為9.24m2。支護采用11工字鋼梁+U25型鋼腿組成的組合鋼支架，支架排距為0.8m，巷道頂板掛網(wǎng)。巷道掘進后，未受到回采動壓前，支護狀態(tài)良好，基本沒有破壞，但在回采過程中巷道破壞十分嚴重，局部變形很大，而且替棚工作量大。本次研究采用現(xiàn)場實測的方法。通過在綜放順槽設(shè)置的圍巖表面和深部位移監(jiān)測站點及圍巖松動圈測試站點，了解工作面運輸巷在回采過程中表面和深部圍巖位移量、離層量及松動圈范圍動態(tài)變化規(guī)律，獲得在3#煤條件下綜放回采巷道礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律，確定巷道合理支護型式及參數(shù)設(shè)計，為今后進一步完善回采巷道設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，達到安全、經(jīng)濟、合理的目的。2 監(jiān)測原理及方法為全面獲

6、得巷道穩(wěn)定狀況的信息，對巷道表面位移、圍巖深部位移、圍巖松動圈范圍等指標進行動態(tài)監(jiān)測。2.1 監(jiān)測原理（1）圍巖松動圈超聲波測試原理根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動理論，應(yīng)力波波速式中：為介質(zhì)的動態(tài)彈性模量；為密度；為泊松比。彈性模量與介質(zhì)的強度之間存在相關(guān)性。超聲波在巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物中的傳播參數(shù)(聲時值、聲速、波幅、衰減系數(shù)等)與巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物的物理力學(xué)指標(動態(tài)彈性模量、密度、強度等)之間的相關(guān)關(guān)系就是超聲波檢測的理論依據(jù)1。聲波隨介質(zhì)裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應(yīng)力增大、密度增大而增高。因此，可根據(jù)松動圈理論2,3，測出各段煤巖體中聲波的大小，聲波波速減小的區(qū)域為松動圈所在的范圍。測量

7、出離孔口不同深度()處的縱波波速(),繪制-曲線圖，再結(jié)合圍巖具體情況便可知道圍巖松動圈的厚度與分布情況。（2）多點位移計測試原理本次現(xiàn)場監(jiān)測使用由中國礦業(yè)大學(xué)研制的KDW-1型機械式多點位移計。該多點位移計由測點錨固頭、測量鋼絲和孔口測讀裝置組成。埋設(shè)在鉆孔內(nèi)的各測點錨固頭與孔壁緊密連接，巖層移動時能夠帶動各測點錨頭一起移動，測點的位移狀態(tài)通過與之固定的位移傳遞鋼絲引至巖體外部，以便進行量測，如圖1所示。1.測點錨固頭；2.測量鋼絲；3.孔口測讀裝置；4.鉆孔圖1 多點位移計測孔結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)位移計安裝后各測點在孔口的讀數(shù)為Si0，變形后第n次測量時各測點在孔口的讀數(shù)為Sin，則第n次測量時，

8、測點6（最深測點）相對于孔口的總的位移量為S6n-S60=D6n，測點5相對于孔口的總位移量為S5n-S50=D5n，測點i相對于孔口總的位移量Sin-Si0=Din，于是測點i相對于測點6（最深測點）的位移量是Sin=Din-D6n，結(jié)合相應(yīng)的圍巖表面位移觀測數(shù)據(jù)，還可算出各測點的絕對位移值。2.2 監(jiān)測方法和測站布置監(jiān)測方法：1）采用十字布點法監(jiān)測圍巖表面位移，包括兩幫移近量、頂板下沉量、底臌量，采用收斂計量測；2）采用多點位移計監(jiān)測頂板及兩幫不同深度圍巖在回采期間位移情況，以及判斷圍巖的松動范圍；多點位移計測站布置見圖12。每個測站在其頂板及兩幫各打一鉆孔，孔深均為6m。每隔1m布置一個

9、測點，隨深度增加劃分為1、2、3、4、5、6號測點。自位移計布置后，每天對其位移值進行測試，直至工作面推過，結(jié)束觀測。3）圍巖松動圈測試采用BA-型超聲波測試儀。采用單孔測試法進行了測試，孔徑為50mm，孔深2.5m，在充滿水的情況下，探頭從孔底以每10cm測一點，逐步向孔口測量。監(jiān)測巷道共布置兩個圍巖表面位移測站，兩個圍巖深部位移測站，兩個圍巖松動圈厚度值測站。各測站布置如圖2、3。圖2 綜放順槽各測站布置圖AB頂?shù)滓平?；AO頂板下沉量；OB底臌量；CD兩幫移近量；CO上幫移近量；DO下幫移近量；C、D、G多點位移計布置測點；E、E、F、F圍巖松動圈測試孔圖3 各測站布置斷面示意圖3 監(jiān)測

10、數(shù)據(jù)整理與分析3.1圍巖表面位移分析圖4為3102工作面運輸巷圍巖表面移動量，表1為各測站統(tǒng)計變形量。由監(jiān)測結(jié)果可知：（1）受采動影響，巷道兩幫收斂量大于頂?shù)滓平浚骄鶅蓭团c頂?shù)滓平勘戎禐?.04:1。分析幫部變形較嚴重的原因：一是幫部煤體力學(xué)性質(zhì)差；二是巷道采用鋼棚配合單體柱支護，頂?shù)装逯ёo強度較大，而未對幫部實施及時有效的主動支護，導(dǎo)致幫部煤體受力不均衡、棚間煤外凸嚴重。因此，建議新的支護方案考慮加強對兩幫的維護，應(yīng)采用全斷面主動支護型式4，充分發(fā)揮巷道圍巖的自支撐能力，使圍巖成為支護體系的組成部分。（2）受采動影響，巷道頂?shù)装遄冃我缘纂麨橹鳎骄纂颗c頂板下沉量比值為2.85:1。

11、分析巷道底臌嚴重的原因：一是底板圍巖穩(wěn)定性較差；二是底板泥巖受水影響降低了圍巖強度且吸水發(fā)生膨脹；三是巷道底板未支護。故巷道原支護結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計不合理，應(yīng)加強幫部煤體和底板的控制，注意全斷面耦合支護5,6。（3）當距工作面為4236 m時，巷道底板和上幫相對移近速度明顯加快，此后漸為平緩。圖4表明，在工作面前方2317 m時，巷表移近量第二次迅速增加，兩幫移近速度由30.3m處的3.0 mmd增加到16.0 mmd。觀測中發(fā)現(xiàn)，該時間段內(nèi)巷道圍巖產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致圍巖移近量增大。當距工作面只有約6 m時，巷道變形劇烈，斷面很快變小。觀測結(jié)果表明，運輸巷圍巖移近具有階段性7,8，巷道圍巖運動受采動影

12、響可劃分為3個階段：微弱影響期、明顯影響期、劇烈影響期，距工作面的距離范圍分別為10042m、4223m、20mm），使松動圈范圍超過2m，特別是圍巖內(nèi)部2m和3m之間離層達41mm。（1）上幫 （2）下幫圖5 幫部圍巖累計位移隨工作面推進變化曲線圖3.3 松動圈測試松動圈中裂隙較發(fā)育，使得圍巖的完整性下降，應(yīng)力降低，密度變小，從而減低彈性波在此范圍內(nèi)的傳播速度。因此可利用彈性波來檢測圍巖松動圈的位置。根據(jù)這一特點，大陽煤礦采用中國礦業(yè)大學(xué)自行研制的BA-型圍巖松動圈超聲波測試儀進行井下實測?，F(xiàn)場獲得近千個數(shù)據(jù)，經(jīng)過對實測數(shù)據(jù)進行計算機處理，得出不同巖性的圍巖松動圈厚度值，實測圍巖松動圈厚度值

13、見圖6所示。圖6 隨工作面推進圍巖松動圈厚度值變化曲線理論分析表明：綜放回采巷道圍巖松動圈厚度值隨采面距離的減少而增大。由圖6可知，當測站點距工作面距離為61.75m時，上幫圍巖松動圈厚度值為1.1m，下幫圍巖松動圈厚度值為1.4m，而測站點距工作面距離為4.8m時，上幫圍巖松動圈厚度為2.6m，下幫圍巖松動圈厚度值為2.4m。受采動影響，上幫圍巖松動圈厚度值增加了136%，而下幫圍巖松動圈厚度值僅增加了71.4%。分析得出工作面采動超前影響范圍在4036m，上幫圍巖松動圈厚度值由1.4m增加到1.7m，而下幫圍巖松動圈厚度值變化幅度僅有0.1m。由實測結(jié)果可以看出，隨著工作面推近，圍巖松動圈

14、厚度值開始時呈非線性增大，而且初期增速較緩，以后逐漸較快，受劇烈采動影響時呈近似線性增大。實測圍巖松動圈厚度值變化規(guī)律與圍巖深部位移監(jiān)測結(jié)果一致?？梢缘贸觯蓜訉鷰r松動圈厚度值影響是顯著的，特別是對上幫圍巖松動圈厚度值影響較大。5 結(jié)論（1）3102綜放面運輸巷表面和深部位移監(jiān)測隨工作面推進同時進行。距工作面39.2m 時，監(jiān)測兩幫移近量開始迅速增加，直到30.3 m左右漸弱，與實測圍巖松動圈厚度值變化相吻合，說明受采動影響，運輸巷的首次來壓是在工作面前方4236 m左右的位置，這一范圍也應(yīng)是3102運輸巷合理超前支護范圍。（2）監(jiān)測結(jié)果表明，運輸巷圍巖移近量具有階段性，巷道圍巖運動受采動影

15、響可劃分為3個階段：微弱影響期、明顯影響期、劇烈影響期，距工作面的距離范圍分別為10042m、4223m、23m。（3）通過監(jiān)測圍巖內(nèi)各點變形量隨工作面推移過程的變化關(guān)系，這有助于了解圍巖內(nèi)松動圈的形成過程和采動影響范圍及支承壓力分布規(guī)律。通過現(xiàn)場實測所揭露的圍巖變形特征和圍巖松動圈的動態(tài)變化規(guī)律, 為相似回采巷道的支護及維護和回采工作面的布置等提供了有力依據(jù)。參考文獻：1 張世雄,張松,任高峰. 硐室巷道圍巖松弛范圍的超聲波測試J.西部探礦工程,2005(1).2 董方庭. 巷道圍巖松動圈支護理論及其應(yīng)用技術(shù)M. 北京:煤炭工業(yè)出版社,2001. 3 靖洪文,付國彬. 深井巷道圍巖松動圈影響因素實測分析及控制技術(shù)研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 1999, (1): 7074.4 靖洪文,李元海. 深埋巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)研究J . 巖土力學(xué),2005(6):877880.5 何滿潮,孫曉明. 中國煤礦軟巖巷道工程支護設(shè)計與施工指南M. 北京:科學(xué)出版社,2004.6 何滿潮,高爾新. 軟巖巷道耦合支護力學(xué)原理及其應(yīng)用J. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),1998(2):14.7 陳炎光,陸士良. 中國煤礦巷道圍巖控制M. 北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.