深部沿空掘巷回采期间矿压分析与研究

深部沿空掘巷回采期间矿压分析与研究

摘

要：沿空掘巷是我国煤矿回采巷道布置和维护的一种技术，其目的是为了将巷道与采空区隔离。把巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量。其中关键是严格控制煤柱宽度。煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重，若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难。为此国内外针对沿空掘巷围岩应力状态、煤柱尺寸留设和巷道围岩控制等方面进行了诸多研究。传统的留宽煤柱护巷技术，由于留设的煤柱尺寸较大，不仅造成大量资源浪费，而且在回采后容易形成应力集中，回采巷道处于高支承压力区，巷道维护困难。随着对煤炭采出率及回采巷道的支护安全等方面的要求不断提高，无煤柱、小煤柱护巷技术对于提高煤炭回采率以及保证煤炭资源安全回采等方面具有重要意义。本文以安居煤矿二采区南翼1311-2工作面为例，针对工作面埋藏深度大的问题，分析了该工作面回采期间特定煤柱尺寸下沿空掘巷矿压显现情况，为后续煤柱尺寸选取和巷道支护优化提供数据参考。Keys：沿空掘巷、微震、巷道变形、应力1采区及工作面概况二采区位于矿井东北部，西侧为一采区，南侧为FX24断层，东侧、北侧为井田边界。采区南北长约4.7km，东西宽约1.4km，面积约4.25km2。二采区位于井田东北部，水文地质单元东部边界FX24断层为西升东降正断层，区域内落差约90-110m。区内3煤与区外二叠系上统石盒子组地层接触，断层不导水。采区北、西、南边界无大型断层发育。根据《安居煤矿二采区冲击危险性评价及防冲设计（补充报告）》，得到二采区冲击危险综合指数Wt=0.52，冲击地压危险等级为中等冲击地压危险，其中，地质因素影响为主要影响因素。1311-2工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化采煤工艺，一次采全高回采，全部垮落法管理顶板。工作面东侧为FX23断层，西侧为1309-2采空区，南侧为1311-1（外）、1309-1采空区，工作面宽90m。1311-2工作面轨道顺槽为沿空掘巷，与1309采空区之间留设有5m宽的小煤柱。2.回采期间监测数据分析主要从两顺槽微震事件分布情况及诱发的能量大小及主动波CT反演应力分布情况等方面分析矿压显现情况。2.1微震监测情况将工作面沿纵向从中部分开，划分为沿空侧与非沿空侧两个区域，进行微震事件各项指标对比，分析两侧煤体的应力集中情况。2.1.1微震事件分布情况（1）对近三个月的微震事件纵向分布情况对比可以看出，工作面非沿空侧的微震事件数量均大于沿空侧的微震事件数量，且非沿空侧微震事件较为集中，而非沿空侧微震事件较分散。说明沿空侧应力分布较为均匀，不易出现应力集中，而非沿空侧应力主要分布在工作面超前60米至120米，应力分布相对集中，容易诱发冲击地压。（2）对近三个月的微震事件横向分布情况对比可以看出，受超前集中应力影响，沿空侧微震事件主要分布在工作面实体煤侧，1309-2工作面采空区侧应力趋于稳定，能量事件较少，而非沿空侧巷道应力则分布在巷道两侧，受回采扰动及周边构造影响，发生冲击的概率稍高。（3）10000J以上的大能量事件主要分布在沿空侧区域，这主要是受1311-2工作面与1309-2工作面联合采空区影响，大能量事件主要发生在联合采空区中部，所以靠近沿空侧的大能量事件稍多。2.1.2微震能量对比分析2022年7月-2022年9月，1311-2工作面沿空侧发生震动事件分别为52次、136次及44次，平均约77次，月度总震动能量分别为1.27E+05J、2.88E+05J及1.49E+05J，平均震动能量1.88E+05J，最大能量4.95E+04J。2022年7月-2022年9月，1311-2工作面非沿空侧发生震动事件分别为125次、262次及197次，平均约194次，月度总震动能量分别为1.81E+05J、4.50E+05J及4.40E+05J，平均震动能量3.57E+05J，最大能量1.78E+04J。表1

1311-2工作面沿空侧与非沿空侧微震数据对比表序号类别沿空侧非沿空侧对比结果1月平均频次77194沿空侧低61.86%2月平均总能量1.88E+05J3.57E+05J沿空侧低47.34%3最大能量4.95E+04J1.78E+04J非沿空侧低64.04%经过对工作面两侧微震数据对比可以看出，沿空侧的微震频次及总能量均低于非沿空侧，而最大能量高于非沿空侧，最大能量事件均发生在采空区，这主要是受1311-2工作面及1309-2工作面联合采空区的影响引起采空区中部上覆岩层顶板破断损伤，导致最大能量事件偏向于沿空侧。总体来看，沿空侧煤体应力表现较为稳定，分布均匀，不易出现超前应力集中情况，而非沿空侧超前应力在某些区段存在集中情况，在回采扰动及周边特殊构造的叠加影响下更易产生微震事件。2.2主动波CT反演下应力表现对比主动波CT反演是利用地震波射线对工作面的煤岩体进行透视，通过地震波走时和能量衰减的观测，对工作面的煤岩体进行成像。地震波传播通过工作面煤岩体时，煤岩体上所受的应力越高，震动传播的速度就越快。通过震动波速的反演，可以确定工作面范围内的震动波速度场的分布规律，根据速度场的大小，可确定工作面范围内应力场的大小，从而划分出高应力区和高冲击地压危险区域，为这种灾害的监测防治提供依据。依次以蓝绿黄红色为从小到大来代表探测区域内地震波波速，不同区域煤体的波速差异性反应了物理力学特性及应力状态的差异性。1311工作面皮带顺槽（非沿空侧）的整体波速异常系数大于轨道顺槽（沿空侧），且波速异常范围亦较大。根据主动CT反演的整体结果，综合构造、卸压工程等因素的复合影响，1311-2工作面皮带顺槽（非沿空侧）的应力值高于轨道顺槽（沿空侧）。3.巷道变形量对比分析采用十字布点法进行观测表面位移。顶板及两帮测点均用红漆标注，测量时保持钢卷尺直。通过对比两个测点帮部的巷道移近量，可以看出，回采期间随着工作面的推近，实体煤侧巷道变形量呈逐步增大趋势，最终在距离工作面15米左右时趋于稳定，移近量变化不大；而沿空侧巷道变形较少，甚至有的测点基本未出现变化，说明掘进期间沿空侧煤体应力已基本被释放，处于低应力状态，回采期间应力主要在实体煤侧积聚。4.结论（1）沿空掘巷巷道受临近采空区影响较小，主要受本工作面回采