综放顺槽采动影响变形规律的实测研究

1、综放顺槽采动影响变形规律的实测研究靖洪文，汪小东，宋锦虎，王书磊（中国矿业大学建筑工程学院，江苏 徐州 221008）摘 要：根据大阳煤矿综放面布置的具体条件，采用现场实测的方法，对综放回采巷道在回采过程中的围岩表面和内部变形进行了实测研究，得出了巷道围岩在回采期间的变形规律，对改善回采巷道的维护和煤矿安全生产有着积极的意义。关键词：综放；变形规律；位移监测；松动圈厚度 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 tail

3、gate 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; displacem

4、ent monitoring; thickness of the loosen zone 1概述山西兰花集团公司大阳煤矿位于山西省泽州县大阳镇，矿区距市区35km，是一座高产高效矿井，年生产能力达到150万t/a。该矿3102综采放顶煤工作面开采3号煤，煤层平均厚度6.0m，煤层倾角312°，普氏硬度系数f2，煤层赋存稳定、结构简单。老顶为中砂岩，平均厚度8.89m，灰色，硅钙质胶结，局部含有大量白云母片，有时含炭质条带。直接顶为泥岩，灰黑色，局部有粗粉砂岩，中上部有小煤一层，平均厚度4.5m。直接底为灰黑色泥岩或细粉砂岩，老底为中砂岩。工作面运输巷断面为梯形，设计净断面规格为3.2

5、×4.4×2.8m（上宽×下宽×高），净断面面积为9.24m2。支护采用11工字钢梁+U25型钢腿组成的组合钢支架，支架排距为0.8m，巷道顶板挂网。巷道掘进后，未受到回采动压前，支护状态良好，基本没有破坏，但在回采过程中巷道破坏十分严重，局部变形很大，而且替棚工作量大。本次研究采用现场实测的方法。通过在综放顺槽设置的围岩表面和深部位移监测站点及围岩松动圈测试站点，了解工作面运输巷在回采过程中表面和深部围岩位移量、离层量及松动圈范围动态变化规律，获得在3#煤条件下综放回采巷道矿压显现的基本规律，确定巷道合理支护型式及参数设计，为今后进一步完善回采巷道设计

6、提供科学依据，达到安全、经济、合理的目的。2 监测原理及方法为全面获得巷道稳定状况的信息，对巷道表面位移、围岩深部位移、围岩松动圈范围等指标进行动态监测。2.1 监测原理（1）围岩松动圈超声波测试原理根据弹塑性介质中波动理论，应力波波速式中：为介质的动态弹性模量；为密度；为泊松比。弹性模量与介质的强度之间存在相关性。超声波在岩土介质和结构物中的传播参数(声时值、声速、波幅、衰减系数等)与岩土介质和结构物的物理力学指标(动态弹性模量、密度、强度等)之间的相关关系就是超声波检测的理论依据1。声波随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增高。因此，可根据松动圈理论2,3，测

7、出各段煤岩体中声波的大小，声波波速减小的区域为松动圈所在的范围。测量出离孔口不同深度()处的纵波波速(),绘制-曲线图，再结合围岩具体情况便可知道围岩松动圈的厚度与分布情况。（2）多点位移计测试原理本次现场监测使用由中国矿业大学研制的KDW-1型机械式多点位移计。该多点位移计由测点锚固头、测量钢丝和孔口测读装置组成。埋设在钻孔内的各测点锚固头与孔壁紧密连接，岩层移动时能够带动各测点锚头一起移动，测点的位移状态通过与之固定的位移传递钢丝引至岩体外部，以便进行量测，如图1所示。1.测点锚固头；2.测量钢丝；3.孔口测读装置；4.钻孔图1 多点位移计测孔结构示意图设位移计安装后各测点在孔口的读数为S

8、i0，变形后第n次测量时各测点在孔口的读数为Sin，则第n次测量时，测点6（最深测点）相对于孔口的总的位移量为S6n-S60=D6n，测点5相对于孔口的总位移量为S5n-S50=D5n，测点i相对于孔口总的位移量Sin-Si0=Din，于是测点i相对于测点6（最深测点）的位移量是Sin=Din-D6n，结合相应的围岩表面位移观测数据，还可算出各测点的绝对位移值。2.2 监测方法和测站布置监测方法：1）采用十字布点法监测围岩表面位移，包括两帮移近量、顶板下沉量、底臌量，采用收敛计量测；2）采用多点位移计监测顶板及两帮不同深度围岩在回采期间位移情况，以及判断围岩的松动范围；多点位移计测站布置见图1

9、2。每个测站在其顶板及两帮各打一钻孔，孔深均为6m。每隔1m布置一个测点，随深度增加划分为1、2、3、4、5、6号测点。自位移计布置后，每天对其位移值进行测试，直至工作面推过，结束观测。3）围岩松动圈测试采用BA-型超声波测试仪。采用单孔测试法进行了测试，孔径为50mm，孔深2.5m，在充满水的情况下，探头从孔底以每10cm测一点，逐步向孔口测量。监测巷道共布置两个围岩表面位移测站，两个围岩深部位移测站，两个围岩松动圈厚度值测站。各测站布置如图2、3。图2 综放顺槽各测站布置图AB顶底移近量；AO顶板下沉量；OB底臌量；CD两帮移近量；CO上帮移近量；DO下帮移近量；C、D、G多点位移计布置测

10、点；E、E、F、F围岩松动圈测试孔图3 各测站布置断面示意图3 监测数据整理与分析3.1围岩表面位移分析图4为3102工作面运输巷围岩表面移动量，表1为各测站统计变形量。由监测结果可知：（1）受采动影响，巷道两帮收敛量大于顶底移近量，平均两帮与顶底移近量比值为3.04:1。分析帮部变形较严重的原因：一是帮部煤体力学性质差；二是巷道采用钢棚配合单体柱支护，顶底板支护强度较大，而未对帮部实施及时有效的主动支护，导致帮部煤体受力不均衡、棚间煤外凸严重。因此，建议新的支护方案考虑加强对两帮的维护，应采用全断面主动支护型式4，充分发挥巷道围岩的自支撑能力，使围岩成为支护体系的组成部分。（2）受采动影响，

11、巷道顶底板变形以底臌为主，平均底臌量与顶板下沉量比值为2.85:1。分析巷道底臌严重的原因：一是底板围岩稳定性较差；二是底板泥岩受水影响降低了围岩强度且吸水发生膨胀；三是巷道底板未支护。故巷道原支护结构及参数设计不合理，应加强帮部煤体和底板的控制，注意全断面耦合支护5,6。（3）当距工作面为4236 m时，巷道底板和上帮相对移近速度明显加快，此后渐为平缓。图4表明，在工作面前方2317 m时，巷表移近量第二次迅速增加，两帮移近速度由30.3m处的3.0 mmd增加到16.0 mmd。观测中发现，该时间段内巷道围岩产生扰动，导致围岩移近量增大。当距工作面只有约6 m时，巷道变形剧烈，断面很快变小

12、。观测结果表明，运输巷围岩移近具有阶段性7,8，巷道围岩运动受采动影响可划分为3个阶段：微弱影响期、明显影响期、剧烈影响期，距工作面的距离范围分别为10042m、4223m、<23m。剧烈影响期，巷道围岩变形速率较大，其变形一般占总变形的50以上，如图4所示，当距采面4.8m时巷道顶板下沉、底臌、两帮移近的速度分别为3mm/d、15mm/d、44mm/d。剧烈影响期巷道表面各变形量占其总值分别为：顶板下沉51、底臌59、两帮收敛68。事实上，巷道长期使用过程中的累计蠕变量加上较大的采动影响变形量，使得运输巷的断面缩小，从而使端头架的移动困难，严重制约了工作面推进速度。 图4 回采期间巷道

13、表面位移变形曲线由3102运输巷的矿压观测结果可知，该巷道应在工作面前方45m 处开始适当加强维护，以增强巷道围岩的整体性和自身支护能力；在4035m处要进行超前支护；在25m处时要加强巷道超前支护强度，以控制巷道围岩的快速变形。表1 3102工作面下顺槽围岩表面移动量统计表测站断面号表面测点两帮收敛（mm）上帮移近（mm）下帮移近（mm）顶底移近（mm）顶板下沉（mm）底臌（mm）225313212186236342391271127820583.2 围岩深部位移监测巷道收敛量测反映的是巷道壁面上两点的相对变形；多点位移计可测试岩体内部位移的变化，直观地反映了地压活动的规律，是指导支护施工与

14、评价围岩稳定性的重要指标。帮部围岩变形监测结果如图5，可得出如下规律：（1）径向位移方向主要移向巷道空间，个别情况下距孔口34m的深度上有少量反向位移，主要表现在围岩位移的早期，说明存在松动位移速度差造成的压缩。（2）总体上是表面位移愈大，深部一定深度范围内各点的位移也增大，但不同深度处增大的速度不同。位移速度场沿深度方向呈不均匀分布。（3）工作面采动超前影响范围为3936m，围岩内部12m间离层速度达到8.5mm/d、离层累计达20.5mm，26m间围岩变化不明显；距工作面前方23m4.8m时，巷道内部各点变形速度增加，期间各点位移量占各点累计位移量分别为：上帮1m点51、2m点73、3m点

15、56；下帮1m点47、2m点71、3m点58。如图5所示，距巷表 03m内围岩为主要变形对象。（4）采用多点位移计量测围岩内部不同深度点的位移情况，根据位移计测试的不同点的位移变化大小，可以找到松动区与不松动区的分界点，从而确定围岩松动圈范围9,10。由此可以得出，在距工作面前方45m以外，帮部围岩松动圈范围稳定在2m以内；受剧烈采动影响后，距离采面15m以内距巷表03m内围岩明显离层（>20mm），使松动圈范围超过2m，特别是围岩内部2m和3m之间离层达41mm。（1）上帮 （2）下帮图5 帮部围岩累计位移随工作面推进变化曲线图3.3 松动圈测试松动圈中裂隙较发育，使得围岩的完整性下降

16、，应力降低，密度变小，从而减低弹性波在此范围内的传播速度。因此可利用弹性波来检测围岩松动圈的位置。根据这一特点，大阳煤矿采用中国矿业大学自行研制的BA-型围岩松动圈超声波测试仪进行井下实测。现场获得近千个数据，经过对实测数据进行计算机处理，得出不同岩性的围岩松动圈厚度值，实测围岩松动圈厚度值见图6所示。图6 随工作面推进围岩松动圈厚度值变化曲线理论分析表明：综放回采巷道围岩松动圈厚度值随采面距离的减少而增大。由图6可知，当测站点距工作面距离为61.75m时，上帮围岩松动圈厚度值为1.1m，下帮围岩松动圈厚度值为1.4m，而测站点距工作面距离为4.8m时，上帮围岩松动圈厚度为2.6m，下帮围岩松

17、动圈厚度值为2.4m。受采动影响，上帮围岩松动圈厚度值增加了136%，而下帮围岩松动圈厚度值仅增加了71.4%。分析得出由实测结果可以看出，随着工作面推近，围岩松动圈厚度值开始时呈非线性增大，而且初期增速较缓，以后逐渐较快，受剧烈采动影响时呈近似线性增大。实测围岩松动圈厚度值变化规律与围岩深部位移监测结果一致。可以得出，采动对围岩松动圈厚度值影响是显著的，特别是对上帮围岩松动圈厚度值影响较大。5 结论（1）3102综放面运输巷表面和深部位移监测随工作面推进同时进行。距工作面39.2m 时，监测两帮移近量开始迅速增加，直到30.3 m左右渐弱，与实测围岩松动圈厚度值变化相吻合，说明受采动影响，运

18、输巷的首次来压是在工作面前方4236 m左右的位置，这一范围也应是3102运输巷合理超前支护范围。（2）监测结果表明，运输巷围岩移近量具有阶段性，巷道围岩运动受采动影响可划分为3个阶段：微弱影响期、明显影响期、剧烈影响期，距工作面的距离范围分别为10042m、4223m、<23m。（3）通过监测围岩内各点变形量随工作面推移过程的变化关系，这有助于了解围岩内松动圈的形成过程和采动影响范围及支承压力分布规律。通过现场实测所揭露的围岩变形特征和围岩松动圈的动态变化规律, 为相似回采巷道的支护及维护和回采工作面的布置等提供了有力依据。参考文献：1 张世雄,张松,任高峰. 硐室巷道围岩松弛范围的超声波测试J.西部探矿工程,2005(1).2 董方庭. 巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术M. 北京:煤炭工业出版社,2001. 3 靖洪文,付国彬. 深井巷道围岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究J. 岩石力学与工程学报, 1999, (1): 7074.4 靖洪文,李元海. 深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究J . 岩土力学,2005(6):877880.5 何满潮,孙晓明. 中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南M. 北京:科学出版社,2004.6 何满潮,