煤礦巷道冒頂區(qū)域劃分技術研究

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實驗室，黑龍江 哈爾濱150000)

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

關鍵詞：巷道冒頂；穩(wěn)定性分類；區(qū)域劃分

文章編號：1672-6758(2015)01-0044-3

中圖分類號：TD327.2

文獻標識碼：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 .

我國煤炭資源豐富，在相當長的時間內(nèi)，煤炭仍是我國主要能源。[1]合理有效地開發(fā)煤炭資源對促進和保證國民經(jīng)濟的發(fā)展有重要作用。在煤礦建設中，特別是巷道掘進過程中，圍巖多數(shù)為層狀，節(jié)理、裂隙發(fā)育比較完全，在其服務年限內(nèi)要受到多種因素影響，而且隨著開采深度的增加和賦存條件的不斷變化，巷道頂板穩(wěn)定性日趨復雜。[2]頂板穩(wěn)定性的準確分類是確保巷道安全掘進的前提，準確劃分巷道冒頂危險區(qū)域，有利于煤礦掘進巷道頂板支護的實施，使得礦井巷道頂板支護做到有的放矢，有利于資源節(jié)約，提高礦井經(jīng)濟技術效益，對煤礦日后巷道支護具有重要的理論指導和實際應用價值。

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。地面標高+197～+400m之間。礦井井田內(nèi)的主要構造以斷層為主，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3.5m，結構比較簡單，只在上部夾有兩層0.05～0.1m厚的泥巖，煤質好，松軟易碎。直接頂為16m的中細砂巖，直接底板是0.4～0.8m的炭質泥巖和粉砂巖夾煤線，老底為5.6m紋理明顯的細砂巖，煤層、裂隙及其結構面發(fā)育、斷層和褶皺較多，頂板的初次來壓步距為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。

以巖體力學和材料力學作為理論基礎，按照頂板彎距來計算頂板的極限跨距。[3、4]根據(jù)模型,在進行巖層穩(wěn)定跨距的計算時,由巷道頂板第1層巖層開始分析，如果其穩(wěn)定跨距大于巷道的實際跨度，則第1層即為穩(wěn)定巖層；反之為非穩(wěn)定巖層，會發(fā)生冒落，以此類推繼續(xù)向上分析計算直至找到穩(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為頂板巖層對第x層巖層施加的載荷,MPa；

f強—巖層完整性影響系數(shù)；

f采—采動影響系數(shù)；

f深—埋深影響系數(shù)；

f地應力—地應力影響系數(shù)；

Rt為第x層巖層的單向抗拉強度,MPa。

2.2 頂板穩(wěn)定性區(qū)域劃分方法。

在參考國內(nèi)外巷道支護理論與技術最新研究成果的基礎上，利用獲得精細的地質生產(chǎn)條件，對雙河煤礦高應力構造區(qū)地質力學評估，并調(diào)研和監(jiān)測巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以高應力構造區(qū)巷道圍巖破壞和變形特征為基礎，對雙河煤礦巷道冒頂隱患區(qū)域進行劃分，將其劃分為穩(wěn)定(I級)、中等穩(wěn)定(II級)、不穩(wěn)定(III級)和極不穩(wěn)定(IV級)4 種類型，[7]劃分標準如表1。

表1　冒頂隱患級別劃分表

在對大量鉆孔數(shù)據(jù)分析、力學以及現(xiàn)場實驗和數(shù)值模擬的基礎上,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級別劃分圖(如圖2)，在冒頂危險級別分類圖中，不同冒頂級別的頂板交界處是由一系列等值線來確定的，相同等值線間所包括的

圖1　技術路線圖 Fig1　The technology methods

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

范圍就是冒頂隱患級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礦井內(nèi)不同地段的頂板穩(wěn)定性及冒頂隱患級別進行劃分，清晰地標示出冒頂危險區(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),頂板冒頂危險等級最低；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，頂板冒頂危險級別屬于中等；III類頂板穩(wěn)定巖層與頂板表面距離超過II類，頂板冒頂危險級別較高; IV類頂板穩(wěn)定巖層與頂板表面距離超過了III類，頂板冒頂危險級別最高。

2.3現(xiàn)場驗證。

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，裂隙開始增加，此范圍內(nèi)，圍巖具有一定自身結構強度，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，強度基本為原巖體強度，位承載層。與圖2的危險區(qū)域相吻合，說明危險分級能達到礦井安全生產(chǎn)要求，為確定支護參數(shù)提供可靠的依據(jù)。

3結論

本文以雙河煤礦新區(qū)3#煤層巷道頂板為研究對象，運用巖體力學、材料力學和數(shù)值模擬為理論基礎，地質精查報告為數(shù)據(jù)基礎，對巷道頂板進行了穩(wěn)定性分析，確定了巷道頂板穩(wěn)定性類別，畫出頂板冒頂危險性區(qū)域劃分圖，從中得出了以下結論。

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

(2)通過對礦區(qū)部分巷道掘進與回采期間的實測分析表明，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，說明了分類較為準確，錨桿支護參數(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，給安全生產(chǎn)提供了較高的保障，也提高了經(jīng)濟效益。

(3)本研究是對巷道頂板穩(wěn)定性分類的初級分析，日后還應對不同特點的巷道圍巖進行更加深入、系統(tǒng)的研究，進一步完善分類指標和巷道圍巖控制的理論及技術體系，以便對頂板進行分類管理，減少甚至杜絕頂板事故的發(fā)生。

參考文獻

[1]凌標燦，彭蘇萍，張慎河,等.采場頂板穩(wěn)定性動態(tài)工程分類[J]. 巖石力學與工程學報，2003，22(9)：1474-1477.

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

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

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

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

[6]賈明魁.錨桿支護煤巷冒頂事故研究及其隱患預測[D]. 北京:中國礦業(yè)大學(北京),2004:20-28.

[7]馬念杰，趙慶彪，劉少偉.煤巷錨桿支護新技術[M]. 徐州:中國礦業(yè)大學出版社,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

(責任編輯：鄭英玲)