动力灾害矿井巷道顶板离层特征研究 _李海鹏.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1概述 近年来， 煤矿动力灾害越来越被重视[1～2]。冲击发 生时， 煤岩体产生 “咚、 嗵” 的闷声响， 不时伴有岩体震 动， 有时造成支架折损、 底板崩起、 锚固体脱落等动力 灾害， 已成为影响矿井安全生产的灾害之一。 然而， 在 冲击矿压的研究过程中[3～5]， 对巷道顶板离层特征研究 关注较少， 关注力度不够。本文采用顶板离层数字观 测法， 对冲击矿压巷道顶板离层特点进行了实测与对 比分析， 为现场冲击矿压防治提供科学参考。 彬长矿区某矿采掘深度平均 640m，主采 4 煤 层， 硬度系数 2～3， 煤层厚度 0.8～26.20m， 倾角小于 5， 具有强冲击倾向性。矿井构 （含有两个向斜和 3 个背斜褶曲 ） 造应力强， 顶板坚硬， 开拓巷道均布置在 煤层中部， 顶板留有 8～12m厚的顶煤。 工作面两侧采 用双巷布置方式 （见图 1 ） ， 巷道间煤柱宽度为 20m。 图 1采掘工程平面图 工作面两侧巷道开拓后， 冲击矿压频繁， 局部区 域曾多次发生“煤炮” 、顶板急剧下沉等典型动力现 动力灾害矿井巷道顶板离层特征研究 * 李海鹏 1， 吕大钊1， 吴学明2， 聂书遥1， 陈 晨 2， 关欣杰2 （1. 陕西彬长孟村矿业有限公司 ， 陕西 咸阳 713600 ； 2. 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 ， 西安 710065 ） 摘要 采用顶板离层观测法， 对冲击矿压矿井巷道的顶板离层特点进行实测分析。结果表明 在未 采取冲击矿压解危的巷道中测试时， 巷道顶板上方深、 浅位顶板离层呈非线性变化， 离层瞬间发生， 深 部顶板离层范围 20mm～260mm，浅部顶板离层范围 22mm～180mm，深、浅部离层稳定时间分别为 7～64 天和 14～58 天； 在采取冲击矿压解危的巷道中测试时， 迎头顶板离层主要发生在上方 0～5m 位 置， 离层变化在 6～11 天趋于稳定， 最大离层量 1～86mm， 高能量 “煤炮震动” 明显减弱。 关键词 动力灾害矿井 ； 顶板离层 ； 数字观测法 ； 现场实测 ； 对比分析 中图分类号 TD文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0123- 04 Study on roof abscission layer characteristics of mine roadway with dynamic disaster LI Haipeng1, LVDazhao1, WUXueming2, NIE Shu- yao1, CHENchen2, GUANXinjie2 （1. Shaanxi BinchangMengcun MiningCo. , Ltd. , Xianyang 713600 , China; 2. Shaanxi Coal and Chemical TechnologyInstitute CoLtd , Xi an 710065 , China ） Abstract Byusingthe ofroofseparation observation, the characteristics ofroofseparation in Roadwaywith rock burst are measured and analyzed. The results showthat the separation layer ofdeep and shallowroofis non- linear when tested in roadways without rock burst. The separation layer occurs instantaneously. The separation zone ofdeep roofis 20 mm～260 mm, the separation zone ofshallowroofis 22 mm～180 mm, and the stabilitytime ofdeep and shallowseparated layer is 7～64 days and 14～58 days respectively. When tested in roadways with rock burst, the head- on roofseparates layer fromdeep roofis 20 mm～260 mm, while the stabilitytime ofdeep and shallowseparated layer is 7～64 days and 14～58 days. Plate separation mainly occurs in the upper 0～5 mposition. The change ofthe separation layer tends tobe stable in 6- 11 days. The maximumseparation amount is 1- 86 mm, and the vibration ofhigh- energycoal gun is obviouslyweakened. Keywords Power disaster mine ; Roofabscission layer ; Field measurement ; Lawofmeasurement ; comparative analysis 基金项目 国家自然科学基金 （项目编号 51874231。 123 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 象。本文通过对该矿 401 盘区工作面顺槽巷道、 中央 二号回风大巷及中央二号辅助运输大巷掘进面开展 了顶板离层观测，为冲击矿压巷道安全维护提供参 考。 2巷道顶板离层现场观测试验 2.1未解危前掘巷顶板离层观测 巷道掘进中的顶板离层仪安装如图 2 所示。 安装 前要先将离层仪器及各部位检查好， 使用专用安装杆 安装， 钻孔孔径 300mm， 孔深 9m。测点设在巷道断面 的中部，从 401 盘区大巷口开始向里每掘进 50m 安 设一组顶板离层仪， 保障至少每 2d 观测一次， 顶板离 层仪选择安装在 7m和 3m两个深、 浅基准位， 不同地 段稍加调整， 安装深度为 8m、 3m。 观测的巷道断面为小弧拱形断面， 采用 “锚杆 钢筋网 锚索 钢板”支护形式，区段煤柱宽度为 20m。顶板锚杆采用 MG335 左旋高强螺纹钢锚杆， 长 度 202300，间排距 700mm700mm；采用 6 钢筋 网， 尺寸 1500mm800mm， Q235 方形钢托板； 锚索采 用 15.247100 钢绞线，“2- 3” 布置， 排距 2100， Q235 碟形钢板， 尺寸 1501508mm。 图 2掘进面巷道顶板离层仪安装图 （a ） 1 测点距巷口 685m （b）2 测点距巷口 735m 图 3灌浆巷掘进面顶板离层实测统计 1 ） 首采面灌浆巷掘进中顶板离层观测结果如图 3a,b所示。选取的 1、 2 测点正好位于向斜轴部附 近。1 测点距离向斜轴部最近， 在 3m 以内 （最为严 重） 和 3～7m 之间均有大的离层， 深、 浅位离层量在 65～97mm 之间。2 月 25 号后， 1 测点在冲击矿压作 用下离层仪瞬间损坏，顶板下沉明显； 2 测点深、 浅 部离层量在 18～21mm 左右， 离层位置在 3m 以内， 离 层变形曲线均呈不规则、 非线性变化， 深、 浅位岩层离 层变化在 10～64 天趋于稳定。 2 ） 首采面回风顺槽掘进面顶板离层观测结果如 图 4 （a～d ） 所示。灌浆巷与回风巷处于一侧， 选取 2、 3、 6、 7 测点 （距离巷口 310m ） 离层观测结果。 由图可以看出， 深、 浅位基点之间的离层不明显， 离层位置在 3m以内。离层变形曲线呈明显的非线性 变化， 变形稳定周期长， 在 14～58 天基本趋于稳定。 （a ） 2 测点距回风巷巷口 50m （b） 3 测点距回风巷巷口 100m （c ） 6 测点距回风巷巷口 250m （d） 7 测点距回风巷巷口 310m 图 4回风巷掘进面顶板离层实测统计 124 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 3 ） 首采面运输顺槽掘进中顶板离层观测结果如 5 a～d 所示。选取 1、 8、 9、 10 测点 （距巷口 102m～560m ） 离层情况。 a1 测点距运输巷巷口 102m b8 测点距距运输巷巷口 452m c9 测点距距运输巷巷口 510m d10 测点距距运输巷巷口 560m 图 5运输巷掘进面顶板离层实测统计 由于 8、 9、 10 测点距离向斜轴部距离近， 深部 离层量变化范围在 40mm～165mm，浅部离层量变化 范围在 55mm～77mm。离层位置在 3m以内和 3m～7m 之间都有。离层曲线具有非线性变化特征， 深浅位离 层变化在 12～46 天后基本趋于稳定。 2.2冲击解危后掘巷顶板离层观测 现场采取 “深孔爆破断顶 大孔径卸压” 的冲击 矿压解危工艺 [6～8]。解危后的顶板离层观测选取在 401105 回风巷、中央二号回风大巷及中央二号辅助 运输大巷开展。 每个巷道顶板安装 3 个测点，总共安装 9 个测 点，安装位置均在掘进迎头和迎头后方 25m 巷道中 轴处。深、 浅位基点设计 7m 和 3m、 5m 和 2m、 8m 和 2m三个方案， 有利于判断离层发生的位置。 由图 6a,b可以看出， 401105 工作面回风巷掘进 面迎头处离层较明显，位置在迎头煤层顶板上方 3～5m位置， 后方 25m离层位置在顶板上方 3m以下， 离层变化在 6～13 天趋于稳定。 a掘进面迎头 b掘进面迎头后方 25m 处 图 6401105 回风巷掘进面顶板离层实测统计 a大巷迎头 b大巷迎头后方 25m 处 图 7中央二号回风大巷顶板离层实测统计 由图 7a,b可以看出， 迎头煤层顶板上方 0～3m 位置出现离层， 离层量最大值 5mm； 3m～7m之间离层 不明显， 0～7m 顶板累计离层量 6mm。迎头后方 25m 处离层只有 1mm， 煤层顶板基本无离层。整体上， 中 央二号回风大巷迎头上方离层显著， 位置在迎头煤层 125 ChaoXing （上接第 122 页） 2） 侧压系数对围岩塑性区的影响较大，巷道 开挖后塑性区破坏形状由竖向蝶形 - 横向椭圆形 - 圆形 - 竖向椭圆形 - 横向蝶形规律性变化， 巷道围 岩变形量和最大应力值应力随着侧压系数的增加 先减小后增大。 参考文献 [1] 陈斌.矩形巷道围岩应力弹性解与塑性区宽度研究[D].中 国矿业大学,2015. 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[5] 张俊文. 深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析[J]. 中国矿业大学学报， 2017，46 （02） 292- 299. 作者简介 杨学师 （1984-） ， 男， 汉族， 山西霍州人， 2014 年 1 月毕 业于太原理工大学采矿工程专业， 研究方向 采掘现场及生 产技术管理， 采煤工程师。（收稿日期 2020- 1- 15） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 顶板上方 0～2m位置，离层最大值 17mm；后方 25m 离层基本无变化。迎头至后方 25m 处的离层量变化 在 6～11 天后趋于稳定。 中央二号辅助运输大巷受中央胶带输送机大巷 和中央二号回风大巷双重掘进影响， 且也受水平构造 应力影响， 离层量相对较大。 由图 8a,b可以看出， 整体上， 中央二号辅运大巷 迎头处离层明显位置在煤层顶板上方 2～5m 位置， 离 层量值在 57mm～86mm 之间；后方 25m 离层位置在 顶板上方 5～8m位置和 2～5m位置。离层变化在 5～9 天趋于稳定。 a大巷迎头 b大巷迎头后方 25m 图 8中央二号辅运大巷顶板离层实测统计 3结论 1 ） 巷道冲击矿压解危前，离层位置在顶板上方 0～3m和 3m～7m之间均有发生， 当测点位于构造带及 煤柱附近时，离层量更为显著，深 部 离 层 值 20mm～260mm， 浅部离层值 22mm～180mm， 测点间离 层量差值很大； 部分测点被损坏， 无数据， 瞬间破坏性 强。顶板深、 浅部离层稳定周期长， 稳定时间分别为 7～64 天和 14～58 天 （各测点取最大值集合 ） 。 2 ） 巷道冲击矿压解危后， 离层主要发生在迎头顶 板上方 0～5m位置， 离层变化在 6～11 天趋于稳定， 最 大离层量 1～86mm。 迎头后方 25m离层位置主要发生 在煤层顶板 上 方 2～5m 和 5～8m 位 置 ， 离 层 量 0～1mm。 冲击解危后， 高能量 “煤炮声” 得以有效解决， 研究结果为现场冲击矿压防治提供科学参考。 参考文献 [1] 窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州中国 矿业大学出版社,2011. [2] 齐庆新,窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州中国矿业 大学,2008. 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