原德勝，韓拴祥，武光輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.陜煤彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000； 3.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

胡家河礦井掘進(jìn)工作面動力顯現(xiàn)機理及防治研究

原德勝1，2，韓拴祥2，武光輝3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.陜煤彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000； 3.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

胡家河礦井402103工作面掘進(jìn)過程中出現(xiàn)強烈動力顯現(xiàn)，造成頂、底板顯著破壞。經(jīng)鑒定，主采4煤層具有強沖擊傾向性。地應(yīng)力原位測試表明，首采區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力方向與工作面兩巷平均夾角67°。根據(jù)沖擊啟動理論分析，402103掘進(jìn)工作面采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)靜載荷的集聚是動力顯現(xiàn)的主要原因，屬于集中靜載荷型。構(gòu)造應(yīng)力方向性及頂煤夾矸影響導(dǎo)致動力顯現(xiàn)以頂、底板破壞為主。針對采掘設(shè)計、支護(hù)、卸壓等方面提出綜合防范及防治措施，通過微震監(jiān)測及現(xiàn)場實踐，驗證了相關(guān)措施的有效性。

掘進(jìn)工作面；動力顯現(xiàn)；沖擊傾向性；微震

DynamicBehaviorMechanismofDrivingFaceinHujiaheMineandItsPrevention

胡家河礦井目前采掘深度約640m，自2013年1月，402103工作面掘進(jìn)過程中出現(xiàn)強烈動力顯現(xiàn)，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)頻繁破斷，巷道顯著損壞，返修工程量大，嚴(yán)重制約正常采掘接續(xù)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，此為關(guān)中地區(qū)乃至陜西省煤礦首次面臨類似問題，尚缺乏可借鑒經(jīng)驗。為此，彬長集團(tuán)聯(lián)合相關(guān)科研單位及時開展相關(guān)研究工作。

1 礦井及工作面概況

胡家河礦井首采區(qū)煤層平均厚度23m，平均傾角3°。主要巷道均布置在煤層中部，采用分層綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。為治理瓦斯、礦井水、煤層自燃等災(zāi)害，工作面均采用多巷布置方式，除回風(fēng)巷、運輸巷之外，設(shè)計了灌漿巷、泄水巷、高位巖層瓦抽巷，形成“一面五巷”的布置方式。

如圖1所示，402103工作面位于大巷北翼，為402盤區(qū)首個工作面，傾向長度180m，走向長度2236m，設(shè)計五巷布置。開掘402盤區(qū)402103工作面的4條煤層回采巷道過程中，出現(xiàn)了強烈的動力顯現(xiàn)。“煤炮”頻繁發(fā)生，多次造成巷道迎頭及已支護(hù)段出現(xiàn)大面積頂板瞬間下沉或切頂，下沉量最大700mm，頂板錨索頻繁破斷，局部顯著底鼓，底鼓量最大500mm，嚴(yán)重時導(dǎo)致膠帶架、掘進(jìn)機發(fā)生顯著位移。相對而言，巷幫變形量不大。

圖1 402103工作面巷道布置

2 動力顯現(xiàn)主要影響因素分析

2.1煤巖沖擊傾向性

沖擊傾向性是指煤巖體所具有的積蓄變形能并產(chǎn)生沖擊式破壞的性質(zhì)，煤巖沖擊傾向性是礦井動力顯現(xiàn)的內(nèi)在本質(zhì)影響因素。在相同應(yīng)力環(huán)境下，沖擊傾向性高的煤體發(fā)生沖擊破壞可能性要遠(yuǎn)大于沖擊傾向性低的煤體[1]。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25217.2-2010《煤的沖擊傾向分類及指數(shù)的測定方法》，分別對胡家河煤礦4號煤層的上、下分層進(jìn)行沖擊傾向性測定。測定結(jié)果表明，4號煤層上、下分層均具有強沖擊傾向性，如表1所示。

2.2 地應(yīng)力狀態(tài)

地應(yīng)力是各種地下開挖工程變形和破壞的根本作用力，對煤礦巷道破壞的形式和程度影響顯著。采用空芯包體應(yīng)力解除法對主采區(qū)地應(yīng)力進(jìn)行測量，測試地點分別布置在具有強烈動力顯現(xiàn)的402103工作面附近及井底車場。各測點地應(yīng)力測量結(jié)果如表2所示。表中，σH，σh，σV分別代表最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力。

表1 胡家河煤礦4號煤層沖擊傾向性測定結(jié)果

表2 胡家河煤礦主應(yīng)力測量計算結(jié)果

可見，最大水平主應(yīng)力量值上約為垂直主應(yīng)力的1.84～2.20倍，說明胡家河煤礦地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。最大與最小水平主應(yīng)力比值介于2.05～2.53之間；最大水平主應(yīng)力方向平均為北偏東(67±9)°，即與402103工作面回采巷夾角平均為67°。

2.3 煤層夾矸

402103工作面掘進(jìn)巷施工后，多次發(fā)生頂板錨索斷裂現(xiàn)象，斷裂位置一般距離尾部約2.5m，斷口多為斜面。地質(zhì)鉆孔顯示，4煤層中賦存了1～2層夾矸。夾矸的存在導(dǎo)致頂煤中形成層間弱面，該結(jié)構(gòu)對動力顯現(xiàn)的影響機制表現(xiàn)在兩方面：煤巖層原生裂隙或弱面將為滑移失穩(wěn)提供重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在力源因素比較充分的條件下表現(xiàn)得更為突出。高水平構(gòu)造應(yīng)力使得弱面易于發(fā)生水平滑移，對穿層錨索形成較高剪切力，而錨索自身抗剪強度遠(yuǎn)低于抗拉強度。

2.4 褶曲構(gòu)造

研究表明，在煤巖層褶曲構(gòu)造的向斜和背斜軸部地應(yīng)力水平較高，且最大主應(yīng)力一般為水平構(gòu)造應(yīng)力，更易于引起以巷道頂、底板受到顯著破壞為主的礦壓顯現(xiàn)或沖擊地壓[2]。根據(jù)首采區(qū)三維地震勘探資料，402103工作面受A4背斜和A5向斜影響較大，如圖1所示。2013年1月至4月，掘進(jìn)工作面主要活動在A4背斜軸部影響區(qū)，現(xiàn)場統(tǒng)計表明，此為動力顯現(xiàn)最為強烈的區(qū)段。

2.5 巷道布置方向

由最大水平主應(yīng)力理論可知，水平應(yīng)力對巷道圍巖變形與穩(wěn)定性起到重要影響作用[3]。當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力呈一定夾角時，巷道一側(cè)會出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會偏向巷道的某一幫。自402103工作面4條煤層巷道開掘以來，均出現(xiàn)了左側(cè)頂板較右側(cè)更加破碎的現(xiàn)象，以致在巷道成型后，普遍出現(xiàn)左側(cè)高度比右側(cè)高度大300～500mm的情形，如圖2所示。分析認(rèn)為，該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為北偏東(67±9)°，對左右成巷差異起到關(guān)鍵作用。

圖2 402103工作面巷道成形示意(面向正北)

2.6 掘進(jìn)作業(yè)相互擾動

402103工作面掘進(jìn)作業(yè)集中，在掘進(jìn)初期，回風(fēng)巷與灌漿巷幾乎并行掘進(jìn)(相距20m)，導(dǎo)致擾動應(yīng)力相互影響顯著，如圖3所示。一般將采掘空間周圍支承壓力影響范圍之外的區(qū)域視為非采動影響區(qū)，但這僅是從常規(guī)的靜態(tài)應(yīng)力場角度得出。實際上，在動力顯現(xiàn)礦井，采掘活動常伴隨著不同強度的煤炮，所謂煤炮實為工作面圍巖應(yīng)力調(diào)整過于劇烈而導(dǎo)致的急劇破壞，并瞬間釋放彈性能，該彈性能將以地震波的形式向周圍傳播，當(dāng)其傳播至鄰近采掘工作面時，將引起附加動態(tài)應(yīng)力，使其總應(yīng)力水平急劇升高，為其動力破壞提供充分的應(yīng)力條件。

圖3 掘進(jìn)作業(yè)相互擾動示意

3 動力顯現(xiàn)機理

根據(jù)沖擊啟動理論，采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷E靜的積聚是沖擊啟動的內(nèi)因，采動圍巖遠(yuǎn)場系統(tǒng)外集中動載荷E動對靜載荷的擾動、加載是沖擊啟動的外因。沖擊啟動的能量判據(jù)為：

E靜+E動-EC>0

系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷為采動應(yīng)力場形成后，以采動圍巖中的集中壓縮彈性能、頂?shù)装?巖層)彎曲斷裂前產(chǎn)生的集中彎曲彈性能為主；系統(tǒng)外集中動載荷包括了遠(yuǎn)場的或近場的巖層活動、采掘爆破等產(chǎn)生的沖擊波，以采場大面積直接堅硬頂板斷裂或上覆高位堅硬頂板斷裂、底板斷裂、井下爆破產(chǎn)生的瞬間集中壓縮彈性能為主[4]。

研究認(rèn)為，胡家河煤礦動力顯現(xiàn)的主要應(yīng)力來源為原巖應(yīng)力，巷道圍巖靜載荷的應(yīng)力集中在巖層頂板未充分活動時，即已為動力顯現(xiàn)提供了充分的能量來源。由沖擊啟動理論可知，402103工作面采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)靜載荷的集聚是動力顯現(xiàn)的主要原因，屬于集中靜載荷型，鄰近掘進(jìn)作業(yè)引起的震動應(yīng)力波疊加起到誘發(fā)作用。

全煤巷道處于具有強沖擊傾向性煤體的包圍之中，各方位均充分具備發(fā)生沖擊破壞潛在可能。402103工作面動力顯現(xiàn)發(fā)生主要受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，且最大水平主應(yīng)力與工作面巷道夾角較大，因此，巷道沖擊破壞以頂、底板為主，頂煤的含矸結(jié)構(gòu)促進(jìn)了頂板的破壞。

4 防治措施及效果

4.1 調(diào)整采掘設(shè)計

在滿足瓦斯、煤層自燃、頂板水等災(zāi)害治理的前提下，盡量減少巷道數(shù)量。結(jié)合胡家河礦井實際情況，將402103工作面灌漿巷和回風(fēng)巷合并，同時將泄水巷縮短為1200m。優(yōu)化后，該工作面累計減少巷道掘進(jìn)量約3000m，可大大降低動力災(zāi)害顯現(xiàn)范圍和強度，同時顯著節(jié)約工程成本。同時要求掘進(jìn)工作面錯距不小于150m。

4.2 優(yōu)化巷道斷面

研究表明，直墻半圓拱斷面相比矩形斷面具有更有利的位移場和應(yīng)力場，可減小支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載，同時便于架設(shè)U型鋼支架。根據(jù)胡家河礦井的巷道圍巖應(yīng)力及監(jiān)測情況，將矩形斷面變更為直墻半圓拱型斷面。以402103工作面運輸巷為例，原矩形斷面為：寬×高=5.5m×3.5m，修改為：小弧拱形斷面，凈高3.95m，弧高0.5m，直墻段3.45m。

4.3 大孔徑卸壓

由動力顯現(xiàn)機理分析可知，402103工作面動力災(zāi)害屬于集中靜載荷型，水平構(gòu)造應(yīng)力集中提供主要力源，顯現(xiàn)位置主要在巷道頂煤和底板，煤幫穩(wěn)定性較好?；诖?，分別針對掘進(jìn)迎頭、巷幫頂角、巷道底煤進(jìn)行大孔徑卸壓[5]。

巷幫頂角處斜向上鉆孔，仰角50°，孔徑不小于120mm，初步設(shè)計孔深13m，在具體施工時以頂板巖層為終止點。鉆孔走向間距2.1m(間隔3排錨桿距離)。為防止煤層自燃及損傷淺部支護(hù)體，鉆孔施工完畢后，應(yīng)及時用黃泥或水泥封孔，封孔深度2.5m。

4.4 重點區(qū)域強化外圍支護(hù)

實踐表明，大能量煤炮發(fā)生時，僅依靠錨桿支護(hù)往往難以完全耗散沖擊能量，支護(hù)體可能嚴(yán)重破壞，威脅設(shè)備及人員安全。為此，在402103工作面A4背斜及A5向斜軸部等危險區(qū)域架設(shè)U29鋼棚加強支護(hù)，棚間距為700mm，空幫空頂處采用半圓木背實頂和幫。

4.5 效果檢驗

為有效控制動力災(zāi)害，胡家河礦井由波蘭引進(jìn)了ARAMIS M/E微震系統(tǒng)，可實現(xiàn)對礦井及工作面動力災(zāi)害實時監(jiān)測[6]。圖4為利用該系統(tǒng)對402103運輸巷及泄水巷側(cè)每日微震事件平均能量統(tǒng)計的結(jié)果。采取措施前，頻繁出現(xiàn)能量大于105J的微震事件，并多次造成巷道局部損壞；采取相關(guān)措施后，每日微震事件平均能量降至3.5×104J以下，同時在U型鋼棚的防護(hù)下，巷道損壞情況急劇減少。

可見，通過采取各項防范和防治措施，煤巖能量釋放更加均勻，強度更低，對巷道的沖擊破壞作用減弱，有效保障了巷道安全。

圖4 402103運輸巷及泄水巷側(cè)微震能量統(tǒng)計

5 主要結(jié)論

(1)胡家河煤礦4號煤層上、下分層均具有強沖擊傾向性。

(2)胡家河煤礦地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力量值上約為垂直主應(yīng)力的1.84～2.20倍。最大與最小水平主應(yīng)力比值介于2.05～2.53之間，最大水平主應(yīng)力方向平均為北偏東(67±9)°。

(3)根據(jù)沖擊啟動理論，402103工作面采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)靜載荷的集聚是動力顯現(xiàn)的主要原因，屬于集中靜載荷型動力災(zāi)害。以頂、底板破壞為主的顯現(xiàn)特征主要受構(gòu)造應(yīng)力方向性及煤層夾矸影響所致。

(4)針對采掘設(shè)計、支護(hù)、卸壓等方面提出綜合防范及防治措施。微震監(jiān)測及現(xiàn)場實踐表明，以上措施有效控制了動力災(zāi)害顯現(xiàn)程度，保障了巷道安全。

[1]齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]康紅普.煤巖體地質(zhì)力學(xué)原位測試及在圍巖控制中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]潘俊鋒，寧 宇，毛德兵，等.煤礦開采沖擊地壓啟動理論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(3)：586-596.

[5] 彬長胡家河礦業(yè)有限公司，天地科技股份有限公司.胡家河煤礦特厚煤層全煤巷道動力顯現(xiàn)機制研究及防治規(guī)劃[R].2012.

[6]夏永學(xué)，藍(lán) 航，魏向志.基于微震和地音監(jiān)測的沖擊危險性綜合評價技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，2011，36(S2)：359-364.

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

2013-11-19

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.031

原德勝(1966-)，男，陜西三原人，工程碩士，教授級高工，陜煤彬長礦業(yè)集團(tuán)副總經(jīng)理兼總工程師。

原德勝，韓拴祥，武光輝.胡家河礦井掘進(jìn)工作面動力顯現(xiàn)機理及防治研究[J].煤礦開采，2014，19(4)：103-105.

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1006-6225(2014)04-0103-03