急傾斜薄煤層巷道變形破壞及頂板冒落特征分析

2016-01-18 02:53:50曹建輝,劉華君

山西焦煤科技 2015年1期

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曹建輝，劉華君

(川煤集團廣旺公司，四川廣元628017)

摘要急傾斜煤礦開采過程中，由于巷道頂板支護效果差，地質構造應力影響，煤層開采方法不同等導致了煤層巷道變形破壞及頂板冒落，給正常的工作面回采、煤炭及其他物料的運輸帶來巨大影響，導致工作面不能正常生產，甚至停產。因此，以趙家壩礦1922工作面巷道為工程背景，對急傾斜薄煤層巷道變形破壞及頂板冒落的影響因素及特征，急傾斜薄煤層巷道及煤層、頂底板的關系進行研究，可以此特征為依據采取有效的措施，避免巷道頂板冒落發生重大事故。

關鍵詞頂板冒落；變形破壞；急傾斜薄煤層；采石位置

收稿日期：2014-11-10

作者簡介：曹建輝(1963—)，男，四川三臺人， 1986年畢業于中國礦業學院，高級工程師，主要從事采煤方法與巖層控制方面的研究工作

中圖分類號：TD32

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)01-0015-03

AbstractDuring the exploitation of steeply inclined coal mine brings the huge influence to normal mining of working face, transportation of coal or other materials, leading to unnormal production on working face, worse still, shutdown. Therefore, 1922 working face of Zhaojiaba coal mine is as the project background, researches the influence factors and characteristics of roadway deformation and roof caving in steeply inclined thin coal seam, and the relationship between steeply inclined thin coal seam and coal seam, side and floor. Then adopts effective measures to avoid major accidents of roadway roof caving based on the characteristics.

頂板事故是煤礦五大自然災害之一，據資料統計，在煤礦事故中，冒頂事故傷亡人數占40%以上。近年來，隨著采煤方法、采煤技術及裝備水平的提高，頂板事故逐步下降[1]，相比之下，由于巷道支護技術和裝備投入以及理論研究相對較弱，巷道頂板事故發生率呈現相對上升趨勢。神華寧煤集團棗泉煤礦12205首采面膠帶運輸巷、黑河市151煤礦等都發生過頂板冒落事故，給礦井安全生產造成了極大的危害。我國學者對于急傾斜煤層開采頂板應力及變形情況的研究已經日漸成熟[2-3]，但對于薄煤層工作面研究較少[4]，而對于急傾斜薄煤層巷道頂板冒落及巷道變形研究更少。因此，研究急傾斜薄煤層巷道頂板冒落及巷道變形機理，為急傾斜薄煤層巷道支護及管理提供理論依據，顯得尤為重要。

趙家壩礦+115 m水平102采區9#煤層厚度0.77~0.85 m，平均0.79 m，煤層傾角52°~64°，平均56°，為急傾斜薄煤層，1922工作面采用偽傾斜柔性掩護支架采煤法，俯偽斜角度為30°，1922工作面上部為采空區，巷道采用錨網支護。開采過程中運輸巷頂板壓力大，頂底板變形嚴重。因此，本文以1922工作面巷道為工程背景，研究1922工作面巷道變形破壞及頂板冒落特征。

1巷道變形破壞及頂板冒落影響因素分析

1.1自然因素

1) 巖石物理性質。巖石的物理力學性質對巷道頂板變形及冒落影響很大，堅硬巖石受力不易變形，不易冒落，巖石變形量小，但是冒落則體現為冒落塊度大。松軟巖石受力易變形，變形量較大，更容易冒落，頂板冒落體現為冒落塊度小，尤其松軟巖石在巷道支架或單體支柱的多次支撐作用下，更容易發生變形及頂板冒落。

2) 地質構造。巖石的地質構造對巷道變形破壞也有影響，當巷道處于斷層或者陷落柱地段附近，巷道變形會很大，局部出現大面積的冒落，巷道支護困難；當巷道頂板巖層中有弱面時，頂板巖層的離層量大，離層導致頂板出現冒落。

3) 煤層傾角。煤層傾角不同會使巷道變形破壞不同，在急傾斜煤層中工作面與回采巷道之間特殊的連接方式使區段煤柱成為巷道的幫部和頂板，形成幫頂倒置狀態，區段煤柱的失穩導致巷道的變形破壞，使急傾斜煤層巷道容易出現靠近煤層區域頂板抽條冒落、鼓幫[5]。在近水平煤層或者緩斜煤層中容易出現頂板變形彎曲甚至冒落的情況。

4) 開采深度。開采深度不同，巷道承受的上覆巖層重量不同。隨著開采深度的增加，巷道容重增加，工作面掘出巷道后，超前支承壓力明顯增加，從而導致巷道變形量及破壞加重，甚至出現大面積冒落。

5) 其他因素。引起巷道變形破壞及冒落的因素是多方面的，在工作面開采過程中，上覆巖層結構破壞導致頂板上方含水層通過導水裂隙帶進入工作面和巷道，致使巷道頂板巖石遇水軟化膨脹，造成巖塊間滑落，使巷道圍巖變形量增加，甚至冒落。其次，巷道形成后，巷道表面巖石在工作面通風等作用下產生風化、軟化等情況，從而巖石強度降低，造成巷道局部頂板變形破壞，甚至冒落。

1.2開采方法及技術因素

1) 采煤方法。采煤方法不同，巷道布置方式就有差異。近距離煤層群開采，上行開采和下行開采巷道受采動影響不同。走向長壁和傾斜長壁開采中巷道布置受采動影響等不同，導致巷道變形破壞影響不同。

2) 巷道與開采工作面關系。當巷道為首采工作面巷道時，巷道受一側采動影響，巷道變形破壞相對較小，巷道受兩側采動影響，巷道變形量更大，當工作面位于采空區下方時，巷道不僅受工作面采動影響，同時受到上方煤層工作面采動影響，巷道的變形破壞更為嚴重，同時發生巷道巨大變形及冒落的傾向性加大。

3) 巷道支護情況。巷道支護對巷道變形的影響較大，比如采用錨桿支護、U型鋼支架支護、錨索網支護或者錨注支護等。

2巷道與煤層和頂底板關系分析

當巷道為薄煤層時，巷道高度一般都大于工作面的采高，為了保證巷道的使用高度必須進行挑頂或者臥底，因而在巷道的端面上既有煤層又有巖層。一般情況煤層巷道采石位置有挑頂、臥底、挑頂兼臥底3種情況，見圖1.

圖1　巷道采石位置的三種情況示意圖

當煤層為急傾斜薄煤層時，巷道也存在上述三種采石位置不同的巷道，見圖2.礦井選擇具體的采石位置需要綜合考慮滿足生產要求、便于維護和施工難易等因素。該礦煤層屬于急傾斜薄煤層，9#煤層直接頂為灰黑色薄層狀炭質泥巖，直接底為薄至中厚層狀粉砂巖，現場采用臥底方法。

圖2　急傾斜薄煤層不同的采石位置示意圖

3巷道變形破壞及頂板冒落特征

由于急傾斜巷道斷面分布于煤層或頂板中，煤層和巖層巖性、結構及煤層和巖層節理面的存在，導致急傾斜薄煤層巷道變形與傳統巷道相比較，變形破壞或冒落特征存在不同。

3.1巷道變形破壞特征

根據該礦現場開采期間巷道變形破壞情況，巷道頂板變形破壞有以下幾種情況：

1) 巷道頂板變形。包括頂板規則變形，頂板不規則變形兩種。其主要特點是在上覆巖層重力作用下，頂板巖層彎曲下沉。規則變形一般頂板受力比較均勻，變形后巷道頂板比較規整，而不規則變形主要是受力不均或者巷道周圍結構面、節理裂隙發育狀態不同，巷道頂板變形示意圖見圖3.

圖3　巷道頂板變形示意圖

2) 巷道底板變形破壞。主要發生巷道局部底鼓及塑性膨脹，由于臥底布置巷道導致底板部分區域處于煤層中，部分處于巖層底板中，導致巷道底鼓變形及塑性膨脹與一般巷道不同，其主要特征為煤層區域底鼓現象及塑性膨脹易發生，見圖4.

圖4　巷道底板變形破壞示意圖

3) 巷道兩幫變形破壞。主要表現為巷道幫鼓、巷幫小塊巖石滑落或片幫和巷幫裂開。巷幫幫鼓主要發生在靠近底板側幫部，巖塊在受力作用下出現幫鼓；巷幫小塊滑落或片幫主要發生在靠近煤層側，煤層受力破壞出現小塊滑落；巷幫裂開在兩幫都有發生，一般底板側裂開后滑落情況少，煤層側裂開后一般都伴隨滑落的情況。巷道兩幫變形破壞示意圖見圖5.