煤矿矿压预警与监测技术研究

煤矿矿压预警与监测技术研究

郝永刚

中煤昔阳能源有限责任公司白羊零煤矿  山西省晋中市045300

摘要：针对千米垂深矿井近距离极薄保护层与被保护层协同开采条件下的矿压动态监测与围岩稳定性控制难题，通过现场矿压动态监测与数值模拟手段，构建工作面矿压动态监测机制，探究围岩稳定性。结果表明：综采工作面超前影响明显范围为15.0~30.0m，超前支护的范围可调整至30.0m。在老顶周期来压期间，回风巷瓦斯浓度不断增大。通过数值模拟分析得到随工作面推进距离的增加，保护层己15-15108综采工作面采空区侧向围岩支承压力呈先增大而后趋于稳定的趋势变化，竖直位移则呈先增大后减小的趋势变化。

关键词：千米深井；矿压显现；围岩稳定性。

1前言

近距离煤柱下特厚煤层综放开采过程中，由于工作面采用综采放顶煤一次采全厚开采强度大，煤层结构较为复杂，在上覆近距离采空区煤柱下开采，临空隔小煤柱开采，采动破坏影响较为明显，对围岩运动规律、矿压显现、顶板控制等具有较大差异性。近年来，随着我国煤矿综采设备机械化、智能化程度不断提高，工作面单产单进水平逐步提升。煤层工作面长度的增加，能够降低工作面回采巷道掘进工作量，减少综采工作面搬家次数，提高煤炭资源采出率，最大限度地发挥综采设备的利用率，提高工作面单产，因此超长工作面在我国各大矿区的应用日益广泛。但是，煤层沿倾斜方向采出空间随工作面长度的增大而增大，为覆岩运移创造了更大的空间，导致工作面压力升高，矿压显现强烈。近年来，针对超长工作面矿压显现规律的热点问题，我国学者专家及矿山科技工作者进行了大量研究。

2工作面矿压动态监测方案与结果分析

2.1监测方案设计

2.1.1监测设备的安装布置

（1）矿压监测压力监测分机的布置在工作面现场对液压支架所受压力变化进行动态测试。工作面自第1架开始，每隔10架安装1台顶板压力监测传感器，共12台，每台压力监测分站监测1台液压支架。（2）顶板离层仪的布置在工作面上、下进风巷距工作面切眼向外每50m安设1台顶板离层仪。

2.1.2监测方式

（1）矿压监测方式：①采用KJ533型矿用无线多功能监测设备在工作面平均布置12台分站，通过无线传输功能上传至各分站，分站将信息传送到计算机中进行分析统计。②利用测压枪对两巷单体柱压力进行检测，并将检测结果进行记录，然后带回井上输入计算机进行分析。（2）顶板离层仪监测方式①通过顶板离层监测结果对工作面两巷开展管理，当离层值超过50mm时开展原因分析，并对该离层仪加强观测，每周观测1次；当超过100mm时，及时将情况汇报至采煤区，同时制定相应加固措施，必要时重新进行巷道支护优化。②对于动压区外区域，每个月观测1次并及时上报；采面向外30m及留巷段30m范围内，每周观测1次并及时上报，顶板离层仪观测情况每月分析1次。

2.2工作面矿压监测结果与应用情况

2.2.1工作面矿压监测分析结果及应用

通过对工作面开采以来的周期分析可得，周期来压步距与工作面的推进度呈正相关关系，即推进速度越快步距越大，矿山压力显现越不明显；反之，工作面推进速度越慢步距越小，矿山压力显现越明显，这与杨敬虎等的研究具有一致性。通过对工作面开采以来的矿压信息分析可知，工作面经历了直接顶初垮、老顶初次来压和多次周期来压，得到了反映顶板活动规律和支架适应性分析的相关技术参数。通过对观测资料的分析总结，得出己15108综采工作面矿压显现具有如下特点：(1)该煤层直接顶为7.5~9.0m的砂质泥岩，老顶为8.0m厚的细砂岩。工作面所采用的ZY6800-12/25型液压支架支护强度已达到支护顶板的目标要求。(2)直接顶随支架拉移自行垮落，上部细砂岩在直接顶后垮落，初次垮落步距约25~30m；工作面周期来压步距为15~18m。(3)巷道离层监测表明，工作面超前影响范围约为60.0m，明显影响的范围为15.0~30.0m，可将超前支护的范围适当增加至40.0m。(4)老顶周期来压期间，回风巷瓦斯探头浓度显示有增大趋势，这主要是因为采空区顶板垮落前，顶板断裂、下沉，造成采空区内的空间减小，导致采空区内的瓦斯涌出。根据上述矿压监测分析结果，可对己15108综采工作面制定以下工作指导措施：(1)尽可能加快工作面的推进度，减少周期来压对工作面的影响。(2)加强上、下进风巷动压区的支护，两巷所打单体柱必须“穿鞋戴帽”；加强工作面两端头的支护，端头大梁必须按规定迈步架设，一梁三柱，大梁下的柱子须支撑有力。

2.2.2工作面两巷顶板离层仪监测分析应用

顶板离层监测在己15108综采工作面取得了较好的应用情况，特别是对小煤柱留巷段的顶板管理起到了很好的效果。依据两巷顶板离层仪监测分析结果，针对下进风巷及留巷段数值变化较大的地段制定如下措施：(1)回风巷动压区及时架设棚子、架走向钢梁增加巷道顶板支护。(2)在留巷段补打锚索将顶板顺山钢梁锁在顶板上加强支护。(3)在充填模板拉移后及时在充填墙体侧打单体柱支护顶板，距充填模板箱不大于20m的位置及时增加木垛数量，确保木垛与单体柱对下进风巷留巷段的顶板支护强度。

3千米深井采空区侧向围岩稳定性研究

3.1数值模型构建

为保证数值模拟模型与现场情况相符合，根据平煤十二矿己15-31050工作面地质情况，设置该模型尺寸为长×宽×高=300m×76.8m×56m，煤层厚度2.1~3.8m，平均厚度约为3.3m，采高3.3m；煤层倾角1°～6°，平均5°，巷道尺寸为宽×高=4.0m×3.0m，埋深1008.0～1095.0m，取1055.0m。

3.2采空区侧向围岩稳定性研究

（1）采空区侧向围岩受力变形情况分析随着工作面推进，采空区面积扩大，侧向支承压力向采空区两侧深部转移，采空区侧向支承压力逐渐增大并且施加作用在沿空留巷巷道围岩上，导致区段运输巷道变形，给后期巷道支护、二次支护、维修造成不小的困难与挑战。在工作面推进距离20.0~104.0m内，采空区侧向支承压力由46.8MPa逐渐增加至61.2MPa；在工作面推进距离104.0~128.0m内，采空区侧向支承压力基本趋于稳定，且保持在62.0MPa左右；采空区侧向支承压力峰值随工作面逐渐推进向两侧深部转移，巷道压力变化较大。在工作面推进距离20.0~44.0m内，采空区侧向竖直位移逐渐增大；在工作面推进距44.0~128.0m内，采空区侧向竖直位移逐渐降低。（2）巷道塑性区分布在巷道变形破坏过程中，巷道围岩受到不同性质的力，进而使得巷道围岩破坏形式具有较大差异，包括有剪切破坏、张拉破坏、膨胀挤压破坏等。在工作面推进距离较小的情况下，巷道围岩变形破坏塑性区较小。随着工作面的不断推进，巷道围岩变形破坏塑性区面积逐渐增大，且最后趋于一个稳定值。当工作面再继续推进时，巷道围岩变形破坏塑性区面积将不再发生变化。

结语

(1)建立了回采工作面顶板作用于液压支架的压力变化及上下进风巷顶板压力动态监测机制，通过现场测试掌握顶板压力变化及工作面回采期间对两巷的压力作用。根据巷道离层监测表明，工作面超前影响的明显范围在15.0~30.0m，可调整超前支护的范围至30.0m内。在老顶周期来压期间，回风巷瓦斯浓度不断增加。(2)对保护层初次矿压与周期来压进行观测，己15108综采工作面初次来压步距23m，所经历的3次周期来压步距较为接近，第1次至第3次周期来压步距分别为46.8、45.0、46.0、44.7、44.1、46.6m。(3)通过数值模拟对被保护层己15-31050工作面侧向围岩受力状态与应力应变分布规律进行分析。随工作面推进距离的增大，采空区侧向支承压力呈先增大而后趋于稳定的态势变化。在工作面推进距离为20.0~44.0m内，采空区侧向竖直位移逐渐增大；在工作面推进距离44.0~128.0m内，采空区侧向竖直位移逐渐减小。

参考文献：

［1］谢和平,鞠杨,高明忠,等.煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系［J］.煤炭学报,2018,43(5):1 210-1 219.

［2］袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考［J］.煤炭学报,2016,41(1):1-6.

［3］张建国.平煤超千米深井采动应力特征及裂隙演化规律研究［J］.中国矿业大学学报,2017,46(5):1 041-1 049.