煤礦巷道冒頂區(qū)域劃分技術(shù)研究

朱浩田1，王海濤1，2，王子豪1，朱健1，顏亮1，周雄飛1

(1.黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程系，黑龍江 雞西158100；2.黑龍江省普通高校采礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150000)

摘要：為了劃分出雙河煤礦新區(qū)3`#煤層巷道冒頂危險(xiǎn)區(qū)域, 進(jìn)而有針對(duì)性地及時(shí)采取防治措施，降低巷道冒頂事故發(fā)生率，同時(shí)節(jié)省巷道支護(hù)材料。以分析巖層穩(wěn)定性的主要影響因素和獲得精細(xì)地質(zhì)生產(chǎn)資料為基礎(chǔ)，建立頂板巖層穩(wěn)定跨距計(jì)算力學(xué)模型,獲得穩(wěn)定跨距公式, 以此為基礎(chǔ)借助于頂板探測(cè)儀和巖層結(jié)構(gòu)窺視儀等觀測(cè)工具,最終得出雙河煤礦巷道冒頂危險(xiǎn)區(qū)域。區(qū)域劃分對(duì)礦井和雞西礦業(yè)集團(tuán)乃至龍煤集團(tuán)日后生產(chǎn)，具有借鑒意義和輻射作用。

關(guān)鍵詞：巷道冒頂；穩(wěn)定性分類；區(qū)域劃分

文章編號(hào)：1672-6758(2015)01-0044-3

中圖分類號(hào)：TD327.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to save the roadway supporting material and find the preventive measures to reduce the accident rates of coal mine , we try to find out the area of the roof collapse of drift in the Shuanghe No.3 Mine. The main influent factors and geological production data are analyzed as the analysis basis,the span formula was established. Based on the observation of strata structure detector and peep instrument, the paper found out the area of roof collapse of driftin Shuanghe No.3Mine. The research results may be of significance for the problem-solving of the roof collapse of drift .

我國(guó)煤炭資源豐富，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭仍是我國(guó)主要能源。[1]合理有效地開(kāi)發(fā)煤炭資源對(duì)促進(jìn)和保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要作用。在煤礦建設(shè)中，特別是巷道掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖多數(shù)為層狀，節(jié)理、裂隙發(fā)育比較完全，在其服務(wù)年限內(nèi)要受到多種因素影響，而且隨著開(kāi)采深度的增加和賦存條件的不斷變化，巷道頂板穩(wěn)定性日趨復(fù)雜。[2]頂板穩(wěn)定性的準(zhǔn)確分類是確保巷道安全掘進(jìn)的前提，準(zhǔn)確劃分巷道冒頂危險(xiǎn)區(qū)域，有利于煤礦掘進(jìn)巷道頂板支護(hù)的實(shí)施，使得礦井巷道頂板支護(hù)做到有的放矢，有利于資源節(jié)約，提高礦井經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，對(duì)煤礦日后巷道支護(hù)具有重要的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1礦井概況

雙河煤礦核定生產(chǎn)能力110Mt/a，井田面積為22.51km2。井田內(nèi)地形大部分為丘陵地形，地形差異較大。北部和東部是黃泥河和二道河沖積平原，西部和南部由于受地層擠壓形成褶皺，呈現(xiàn)大致平行于煤系地層走向近東西向的山脊，山峰圓頂。地面標(biāo)高+197～+400m之間。礦井井田內(nèi)的主要構(gòu)造以斷層為主，除平-麻逆掩斷層外，區(qū)內(nèi)共有較大斷層50條，且以正斷層為主，新區(qū)3#煤層主要由西北-東南走向的F13和南北走向的F45兩個(gè)大斷層分割而成，井田范圍內(nèi)裂隙大，小斷層眾多，發(fā)育完全，容易產(chǎn)生巷道冒頂事故。

3#煤層是礦區(qū)內(nèi)最厚的煤層，厚度1.5～3.5m，平均厚度3.2m，最厚可達(dá)3.5m，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只在上部夾有兩層0.05～0.1m厚的泥巖，煤質(zhì)好，松軟易碎。直接頂為16m的中細(xì)砂巖，直接底板是0.4～0.8m的炭質(zhì)泥巖和粉砂巖夾煤線，老底為5.6m紋理明顯的細(xì)砂巖，煤層、裂隙及其結(jié)構(gòu)面發(fā)育、斷層和褶皺較多，頂板的初次來(lái)壓步距為13～15m，煤層頂?shù)装遢^不穩(wěn)定。

2頂板穩(wěn)定性區(qū)域劃分

2.1 頂板穩(wěn)定性分析。

以巖體力學(xué)和材料力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，按照頂板彎距來(lái)計(jì)算頂板的極限跨距。[3、4]根據(jù)模型,在進(jìn)行巖層穩(wěn)定跨距的計(jì)算時(shí),由巷道頂板第1層巖層開(kāi)始分析，如果其穩(wěn)定跨距大于巷道的實(shí)際跨度，則第1層即為穩(wěn)定巖層；反之為非穩(wěn)定巖層，會(huì)發(fā)生冒落，以此類推繼續(xù)向上分析計(jì)算直至找到穩(wěn)定巖層為止。要保證巖層穩(wěn)定,需要巷道的最大跨度不能大于該巖層的穩(wěn)定跨距。巷道跨度公式如下：[5、6]

L為巷道跨度，m；

L1為巖層的穩(wěn)定跨距，m；

h—埋深，m；qx+Qx為頂板巖層對(duì)第x層巖層施加的載荷,MPa；

f強(qiáng)—巖層完整性影響系數(shù)；

f采—采動(dòng)影響系數(shù)；

f深—埋深影響系數(shù)；

f地應(yīng)力—地應(yīng)力影響系數(shù)；

Rt為第x層巖層的單向抗拉強(qiáng)度,MPa。

2.2 頂板穩(wěn)定性區(qū)域劃分方法。

在參考國(guó)內(nèi)外巷道支護(hù)理論與技術(shù)最新研究成果的基礎(chǔ)上，利用獲得精細(xì)的地質(zhì)生產(chǎn)條件，對(duì)雙河煤礦高應(yīng)力構(gòu)造區(qū)地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，并調(diào)研和監(jiān)測(cè)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以高應(yīng)力構(gòu)造區(qū)巷道圍巖破壞和變形特征為基礎(chǔ)，對(duì)雙河煤礦巷道冒頂隱患區(qū)域進(jìn)行劃分，將其劃分為穩(wěn)定(I級(jí))、中等穩(wěn)定(II級(jí))、不穩(wěn)定(III級(jí))和極不穩(wěn)定(IV級(jí))4 種類型，[7]劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1　冒頂隱患級(jí)別劃分表

在對(duì)大量鉆孔數(shù)據(jù)分析、力學(xué)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,利用SURFER軟件的插值與AutoCAD繪圖功能(如圖1)方法,得出全礦井頂板冒頂危險(xiǎn)級(jí)別劃分圖(如圖2)，在冒頂危險(xiǎn)級(jí)別分類圖中，不同冒頂級(jí)別的頂板交界處是由一系列等值線來(lái)確定的，相同等值線間所包括的

圖1　技術(shù)路線圖 Fig1　The technology methods

圖2　頂板冒頂危險(xiǎn)性區(qū)域劃分圖 Fig2　The roof falling danger zone division map

范圍就是冒頂隱患級(jí)別相同的頂板類型根據(jù)巷道穩(wěn)定巖層位置的不同可以對(duì)礦井內(nèi)不同地段的頂板穩(wěn)定性及冒頂隱患級(jí)別進(jìn)行劃分，清晰地標(biāo)示出冒頂危險(xiǎn)區(qū)域。

從圖中可以看出雙河煤礦巷道冒頂區(qū)域劃分為4類。I類頂板穩(wěn)定巖層距離頂板表面較近,位于錨桿能夠錨固到的范圍之內(nèi),頂板冒頂危險(xiǎn)等級(jí)最低；II類頂板穩(wěn)定巖層與頂板表面之間的距離大于I類頂板，頂板冒頂危險(xiǎn)級(jí)別屬于中等；III類頂板穩(wěn)定巖層與頂板表面距離超過(guò)II類，頂板冒頂危險(xiǎn)級(jí)別較高; IV類頂板穩(wěn)定巖層與頂板表面距離超過(guò)了III類，頂板冒頂危險(xiǎn)級(jí)別最高。

2.3現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

在礦井新區(qū)3#層右四工作面上巷超前工作面30m，50m，80m處，進(jìn)行了鉆孔窺視作業(yè)，如下圖所示。

圖3　鉆孔窺視圖 Fig3　Drilling peephole

由圖可知巷道頂板0～2m范圍圍巖極為破碎，不具有承載能力，在2～4m范圍內(nèi)，圍巖破碎間距明顯加大，破碎程度減弱，裂隙開(kāi)始增加，此范圍內(nèi)，圍巖具有一定自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，承載能力弱，4m以上圍巖只有少數(shù)裂隙，巖層完整或基本完整，強(qiáng)度基本為原巖體強(qiáng)度，位承載層。與圖2的危險(xiǎn)區(qū)域相吻合，說(shuō)明危險(xiǎn)分級(jí)能達(dá)到礦井安全生產(chǎn)要求，為確定支護(hù)參數(shù)提供可靠的依據(jù)。

3結(jié)論

本文以雙河煤礦新區(qū)3#煤層巷道頂板為研究對(duì)象，運(yùn)用巖體力學(xué)、材料力學(xué)和數(shù)值模擬為理論基礎(chǔ)，地質(zhì)精查報(bào)告為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)巷道頂板進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，確定了巷道頂板穩(wěn)定性類別，畫(huà)出頂板冒頂危險(xiǎn)性區(qū)域劃分圖，從中得出了以下結(jié)論。

(1)將穩(wěn)定巖層距頂板的垮落距作為頂板冒頂危險(xiǎn)級(jí)別分類的指標(biāo),這樣既容易量化,又可以直接和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)建立起聯(lián)系,便于理解和實(shí)際應(yīng)用。利用SURFER 軟件的插值與AutoCAD繪圖功能,繪制出頂板冒頂危險(xiǎn)級(jí)別分類圖,指導(dǎo)礦井的巷道支護(hù)設(shè)計(jì),保證巷道頂板安全和工作面安全生產(chǎn)。

(2)通過(guò)對(duì)礦區(qū)部分巷道掘進(jìn)與回采期間的實(shí)測(cè)分析表明，巷道圍巖變形控制效果較好，滿足了工作面安全生產(chǎn)的要求，說(shuō)明了分類較為準(zhǔn)確，錨桿支護(hù)參數(shù)合理，為該礦類似條件下巷道圍巖的有效控制奠定了基礎(chǔ)，給安全生產(chǎn)提供了較高的保障，也提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(3)本研究是對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性分類的初級(jí)分析，日后還應(yīng)對(duì)不同特點(diǎn)的巷道圍巖進(jìn)行更加深入、系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步完善分類指標(biāo)和巷道圍巖控制的理論及技術(shù)體系，以便對(duì)頂板進(jìn)行分類管理，減少甚至杜絕頂板事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]凌標(biāo)燦，彭蘇萍，張慎河,等.采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)工程分類[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(9)：1474-1477.

[2]謝飛鴻,孫搖偉,劉京學(xué). 層狀復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定性分析[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(3):12-16.

[3]劉欽甫，劉衡秋，彭蘇萍,等.淮南煤田13-1 煤層頂板地質(zhì)特征與穩(wěn)定性研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2004,29(3):318-322.

[4]彭蘇萍，孟召平，李玉林.斷層對(duì)頂板穩(wěn)定性影響相似模擬試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2001,29(3):1-4.

[5]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003:60-65.

[6]賈明魁.錨桿支護(hù)煤巷冒頂事故研究及其隱患預(yù)測(cè)[D]. 北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),2004:20-28.

[7]馬念杰，趙慶彪，劉少偉.煤巷錨桿支護(hù)新技術(shù)[M]. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2006:35-46.

Approach to Differentiate Area of Roof Collapse of Drift

Zhu Haotian, Wang Haitao, Wang Zihao, Zhu Jian, Yan Liang, Zhou Xiongfei

(1.Department of resources engineering, Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China；

2.Heilongjiang Key University Laboratory for Mining Engineering，Harbin, Heilongjiang 150000，China)

Key words：roof collapse of drift; classification of stability; area partition

Class No.:TD327.2Document Mark：A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)