正利煤礦動靜壓巷道礦壓顯現規律對比研究

劉繼平，姜耀東，詹紹建，關云鵬，王宏偉，李彥偉

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

1 工程概況

正利礦井田位于呂梁山脈蘆芽山南部典型的黃土梁峁地貌的丘陵區。地勢南高北低，最低海拔1148.2m，最高海拔1354.2m，井田中部有嵐河流過，井田面積16.1km2。礦井為低瓦斯礦井，井田屬地溫正常區。礦井采用立井開拓，煤層回采采用長壁綜采一次采全高采煤法，當前采區為一采區。一采區走向長4.13km，傾斜寬1.74km，面積約7.18km2，設計可采儲量34.41Mt，設計生產能力1.5Mt/a，服務年限16.4年。論文涉及的礦壓監測項目即在一采區14-1103綜掘順槽及14-1107掘進順槽進行。

該礦當前的回采面為14-1101、14-1103工作面，掘進面為14-1107面，其中14-1101面回采工作已基本結束。本文所研究的動壓巷道為14-1103回采面順槽巷道，靜壓巷道為14-1107掘進面順槽巷道，如圖1所示。正利礦4-1號煤為14-1103回采面主采煤層，該煤層穩定，整體呈單斜構造，走向近南北，傾向東，傾角6～10°，平均8°。煤層厚度為1.8～4.75m，均厚3.75m，走向長2212.7，傾向長180m，工作面綜合柱狀圖如圖2所示。該工作面地質構造以小斷層發育為主，共揭露7條正斷層，落差最大5.5m，斷層走向基本與工作面斜交。

圖1 正利礦14-1103回采面和14-1107掘進面平面圖

因14-1107工作面暫未形成回采系統，所以本文所研究的靜壓巷道為14-1107綜掘下順槽，如圖1所示。14-1107掘進工作面主采也為4-1號煤層，煤層走向近北西，傾向北東，傾角6°左右，4-1號煤層厚度3.75～4.0m，平均3.88m。煤層含1～2層夾矸，夾矸厚0.17～0.45m，夾矸巖性以黑灰色砂質泥巖為主，工作面內預計無斷層及陷落柱等構造發育，地質構造簡單。

2 動靜壓巷道礦壓顯現規律

2.1 測站布置

現場監測主要包括頂板錨桿、錨索受力監測、兩幫錨桿受力監測、頂底板移近量監測、兩幫移近量監測，工作面液壓支架工作阻力監測等。動壓巷道測站監測點位于為14-1103綜采上順槽，其中頂錨桿受力監測點20個，頂錨索測點8個，頂板離層監測點12個，幫錨桿測點26個，如圖3所示。靜壓巷道測站位于14-1107綜掘下順槽，共設監測點26個，其中頂錨桿受力監測點6個，頂錨索受力監測點7個，頂板離層監測點13個(圖4)。由于監測所得數據較多，本文僅以一個斷面上的監測點監測所得數據加以說明。即以14-1103綜采上順槽990m處頂錨桿、錨索及幫錨桿受力情況進行分析。

2.2 監測方案

1)掘進過程中，每班用MYJ型錨桿預緊力檢測儀對所注的錨桿進行檢測，凡達不到規定預緊力的錨桿必須停止其它作業進行處理，并做好驗收記錄。

2)每安設300根錨桿時，采用LDZ200礦用錨桿拉力計做1組錨桿拉拔檢驗，每組錨桿不少于9根，ф20mm錨桿不小于設計張拉力80 kN，ф18 mm錨桿不小于設計張拉力60 kN；并做好記錄，設計或材料變更應另取一組檢驗。

圖2 巖層綜合柱狀圖

圖3 14-1103綜采上順槽礦壓監測測點布置

圖4 14-1107綜掘下順槽測點布置

3)掘進過程中每隔100m沿巷道中線安裝一組LBY-3型頂板離層儀。隊技術員每7天觀察一次頂板離層量，做好記錄并及時上報有關部門，以便進行數據的分析、整理工作，直至巷道施工完畢。

全年共落實中央水利建設投資1408億元，同口徑相比，較2012年增加140億元。其中中央預算內固定資產投資717億元，財政專項資金669億元，中央水利建設基金22億元。投資安排上，中西部地區投資比重84%，民生水利投資比重72%。國家發展改革委批復重點水利項目41項，總投資1145億元。

4)若頂板離層量、頂底板相對移近量監測值超過有關規定，則應及時上報有關技術部門進行支護參數修改，加強支護。

2.3 靜壓巷道礦壓規律分析

根據監測結果得到錨桿受力和頂板離層與推進度的關系曲線如圖5所示。靜壓巷道礦壓監測開始時掘進工作面距最近的監測點約為110m。由圖可知，靜壓巷道錨桿受力及頂板離層變化規律相對簡

圖5 靜壓巷道錨桿受力及頂板離層隨推進度變化曲線

單，錨桿受力隨推進度的變化近似呈線性，變化率最大為0.03kN/m，最小為0.01kN/m，最大增量為8kN。由圖5可知，靜壓巷道的頂板離層基本沒有監測到變化，其最大變化值為3mm。

統計錨桿受力隨時間的增長速度以及最大增量如表1所示。由表可知錨桿受力增速較小，最大為0.49kN/d，且各錨桿受力增速呈減小的趨勢，即隨著工作面的推進，錨桿受力變化趨于平穩，當掘進工作面距測點超過300m后錨桿受力增速為初始增速的1/3～1/4且低于0.1kN/d，錨桿受力最大增量約為8kN，遠小于錨桿的錨固力，此時可以認為錨桿受力穩定，錨桿足以承受頂板壓力。

表1 靜壓巷道錨桿受力增速及增量統計

2.4 動壓巷道礦壓規律分析

以動壓巷道14-1103綜采上順槽3#錨桿、5#錨桿、6#錨桿、7#錨桿為例，根據監測數據繪制出典型的錨桿受力與推進度的關系曲線如圖6所示。

由圖6可知，動壓巷道當工作面推進至880m時3#～7#錨桿受力開始出現明顯增長；當工作面推進至903m時3#～7#錨桿開始呈對數增長。動壓巷道頂板受力在距工作面110m以外受動壓影響較小，受力變化與靜壓巷道頂板錨桿受力情況近似；在距工作面30～65m范圍內動壓巷道頂板錨桿受力明顯受動壓影響，錨桿(索)受力在短期內迅速增長直至破壞。

以10m的間距選取7個錨桿受力監測點，并統計其受力最大增速、最大增量以及最大增速下的受力增量占總增量的比例等情況如表2所示。

由表2可知，各錨桿受力的最大增長速度可達到55kN/d，平均可達到7kN/d，而最大增速出現的位置多在距工作面15m范圍以內，各錨的受力最大值并未超過錨桿的錨固力，但個別錨桿的最終受力達到了錨桿錨固力的80%。

統計各錨桿受力在最大增速下的增長量占總增量的比例如表2所示。由表2可知，最大增速下錨桿受力增量占總增量的比例最低為44%，最高達88%，平均占比在66%以上。也就是在短期內(最短半天，最長3天)錨桿受力的增量即占到總增量的大部分，而其他時間錨桿受力增長緩慢，增量較小。

圖6 錨桿受力與推進度關系曲線

表2 錨桿受力最大增速與距工作面的距離

以50m的間距選取4個頂板離層監測點，繪出頂板離層與推進度關系曲線如圖6，頂板離層速度、最值等如表3所示。

表3 頂板離層速度及最大離層值

由圖6及表3可知，回采巷道頂板離層在工作面距測點20～30m時開始出現變化，但變化值很小，離層速度基本為0，而在距工作面100m以外則未監測到離層變化。各離層儀監測值均在距工作面5～10m以內突然迅速增大，在幾小時內迅速達到峰值，最大離層速度可達15mm/h，最大離層值為67mm。分析可知，頂板離層同樣表現出突變的特性，這在對回采巷道的現場觀察中也的到了驗證。

2.5 動靜壓巷道礦壓規律對比分析

2.5.1 錨桿受力、頂板離層等變化規律不同

靜壓巷道頂板受力呈線性變化且變化較小，變化率最大為0.23kN/d，最小為0.04kN/d，最大增量為8kN。動壓巷道頂板受力在距工作面110m以外呈線性增長，最大增量0.5k～1kN；在距工作面50～65m范圍內呈緩慢曲線增長，增幅1k～2kN；在工作面20m范圍內頂呈對數增長，最大增速可達50kN/d，最大增量約為70kN，并且在此范圍內的增長量占到總增量的約66%。

靜壓巷道頂板離層與頂板錨桿受力情況類似，沒有明顯增長；動壓巷道頂板離層在距工作面100m范圍外基本不受動壓影響，動壓影響范圍在50～60m范圍以內。隨著工作面的推進，監測值增長幅度逐漸變大，并在短期內達到最大值，各點監測值最大增量為67mm。

2.5.2 動靜壓巷道錨桿受力，頂板離層增幅相差較大。

分析工作面推進200m過程中錨桿受力、頂板離層的變化情況如表4所示。

表4 錨桿受力頂板毛給你受力增速及增量

由表可知動壓巷道錨桿受力增速、增量遠大于靜壓巷道，在動壓影響范圍內錨桿受力、頂板離層的增長具有突然性，即錨桿受力、離層值多在距工作面較近時短期內急速增長。這種錨桿受力突然急劇增加的情況可能導致錨桿受力來不及向周邊分散而超過其錨固力，因此可能導致錨桿被拉出失效。

3 結論

本文以正利礦14-1103回采工作面與14-1107掘進巷道的礦壓及離層監測為案例，對比分析了動靜壓巷道的礦壓顯現規律，得出如下結論。

1)頂錨桿錨索的受力隨工作面的推進而有不同的變化。當工作面在距離測點100m以外的范圍內時，錨桿(索)受力基本不變；當工作面推進至距離錨桿(索)測點40～50m范圍內時，錨桿(索)受力開始出現線性的緩慢增長；當工作面推進至距測點20～30m范圍內時錨桿(索)受力開始顯著增長并迅速達到峰值。

2)回采面的停采對錨桿(索)受力有明顯的影響。隨著回采面的停采，距離回采面較近的部分測點受力會繼續增長且增幅較大，距離回采面較遠的測點受力則逐漸趨于平穩。

3)錨桿受力最大增速可達55kN/d，最大增量為70kN，頂板離層速度最大可達15mm/h，最大離層值為67mm，高速增長的位置均臨近工作面，高速增長時間短。

4)堅硬頂板條件下的回采巷道頂板受力、位移的變化都具有突變的特性，即在距工作面一定范圍

之外各監測值變化緩慢或監測不到變化，而當工作面推進至距測點較近的某一范圍內時，各項監測值會突然急劇增長，并在短期內達到最大值。

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