动力灾害矿井巷道顶板离层特征研究.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[12]。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[35]， 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 23， 煤层厚度 0.826.20m， 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 812m 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 20mm260mm，浅部顶板离层范围 22mm180mm，深、浅部离层稳定时间分别为 764 天和 1458 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 05m 位 置， 离层变化在 611 天趋于稳定， 最大离层量 186mm， 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, LV Dazhao1, WU Xueming2, NIE Shu-yao1, CHEN chen2, GUAN Xinjie2 （1. Shaanxi Binchang Mengcun Mining Co. , Ltd. , Xianyang 713600 , China; 2. Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co Ltd , Xi an 710065 , China） Abstract By using the of roof separation observation, the characteristics of roof separation in Roadway with rock burst are measured and analyzed. The results show that the separation layer of deep and shallow roof is non-linear when tested in roadways without rock burst. The separation layer occurs instantaneously. The separation zone of deep roof is 20 mm260 mm, the separation zone of shallow roof is 22 mm180 mm, and the stability time of deep and shallow separated layer is 764 days and 1458 days respectively. When tested in roadways with rock burst, the head-on roof separates layer from deep roof is 20 mm260 mm, while the stability time of deep and shallow separated layer is 764 days and 1458 days. Plate separation mainly occurs in the upper 05 m position. The change of the separation layer tends to be stable in 6-11 days. The maximum separation amount is 1-86 mm, and the vibration of high-energy coal gun is obviously weakened. Keywords Power disaster mine ; Roof abscission layer ; Field measurement ; Law of measurement ; comparative analysis 基金项目 国家自然科学基金 （项目编号 51874231。 123 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 37m 之间均有大的离层， 深、 浅位离层量在 6597mm 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 1821mm 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 1064 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 （ad） 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 1458 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 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 ad 所示。选取 1、 8、 9、 10 测点 （距巷口 102m560m） 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 40mm165mm，浅部离层量变化 范围在 55mm77mm。离层位置在 3m 以内和 3m7m 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 1246 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 [68]。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 35m 位置， 后方 25m 离层位置在顶板上方 3m 以下， 离层变化在 613 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 03m 位置出现离层， 离层量最大值 5mm； 3m7m 之间离层 不明显， 07m 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 （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. [2] 蔡峰， 刘泽功.采掘过程中沿空留巷围岩应力演化规律研 究[J].安全与环境学报， 2014， 14 （05） 77-81. [3] 谢广祥， 杨科， 常聚才.煤柱宽度对综放面围岩应力分布规 律 影 响[J].北 京 科 技 大 学 学 报 ， 2006， （11） 1005-10081013. [4] 吴创周， 杨林德， 李秋实.弹脆塑性围岩应力和位移的广 义 SMP 准则解[J].工程力学， 2013， 30 （08） 223-228265. [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 02m 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 611 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 25m 位置， 离 层量值在 57mm86mm 之间；后方 25m 离层位置在 顶板上方 58m 位置和 25m 位置。离层变化在 59 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 03m 和 3m7m 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 20mm260mm， 浅部离层值 22mm180mm， 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 764 天和 1458 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 05m 位置， 离层变化在 611 天趋于稳定， 最 大离层量 186mm。 迎头后方 25m 离层位置主要发生 在煤 层顶板 上 方 25m 和 58m 位 置 ， 离 层 量 01mm。 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. [3] 苗素军,牟宗龙,窦林名,等.深部复杂地质条件下矿井冲 击地压分析及防治[J].煤炭科学技术,2010,38943-46. [4] 谢和平,周宏伟,薛东杰,等.煤炭深部开采与极限开采深 度的研究与思考[J].煤炭报,2012,374535-542. [5] 窦林名,陆菜平,牟宗龙,等.冲击地压的强度弱化减冲理 论及其应用[J].煤炭学报,2005,306690-694. [6] 原德胜,韩拴祥,武光辉,等.胡家河矿井掘进工作面动力 显现机理及防治研究[J].煤矿开采,2014,194103-41. 作者简介 李海鹏 （1971-） ， 男， 陕西咸阳人， 工程师， 主要从事煤矿 生产管理与技术研究工作。（收稿日期 2019-06-20） 126