動力災害礦井巷道頂板離層特征研究*

李海鵬，呂大釗，吳學明，聶書遙，陳 晨，關欣杰

（1.陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，西安 710065）

1 概 述

近年來，煤礦動力災害越來越被重視[1～2]。沖擊發生時，煤巖體產生“咚、嗵”的悶聲響，不時伴有巖體震動，有時造成支架折損、底板崩起、錨固體脫落等動力災害，已成為影響礦井安全生產的災害之一。然而，在沖擊礦壓的研究過程中[3～5]，對巷道頂板離層特征研究關注較少，關注力度不夠。本文采用頂板離層數字觀測法，對沖擊礦壓巷道頂板離層特點進行了實測與對比分析，為現場沖擊礦壓防治提供科學參考。

彬長礦區某礦采掘深度平均640m，主采4#煤層，硬度系數 2～3，煤層厚度 0.8～26.20m，傾角小于5°，具有強沖擊傾向性。礦井構（含有兩個向斜和3個背斜褶曲）造應力強，頂板堅硬，開拓巷道均布置在煤層中部，頂板留有8～12m厚的頂煤。工作面兩側采用雙巷布置方式（見圖1），巷道間煤柱寬度為20m。

圖1 采掘工程平面圖

工作面兩側巷道開拓后，沖擊礦壓頻繁，局部區域曾多次發生“煤炮”、頂板急劇下沉等典型動力現象。本文通過對該礦401盤區工作面順槽巷道、中央二號回風大巷及中央二號輔助運輸大巷掘進面開展了頂板離層觀測，為沖擊礦壓巷道安全維護提供參考。

2 巷道頂板離層現場觀測試驗

2.1 未解危前掘巷頂板離層觀測

巷道掘進中的頂板離層儀安裝如圖2所示。安裝前要先將離層儀器及各部位檢查好，使用專用安裝桿安裝，鉆孔孔徑300mm，孔深9m。測點設在巷道斷面的中部，從401盤區大巷口開始向里每掘進50m安設一組頂板離層儀，保障至少每2d觀測一次，頂板離層儀選擇安裝在7m和3m兩個深、淺基準位，不同地段稍加調整，安裝深度為8m、3m。

觀測的巷道斷面為小弧拱形斷面，采用“錨桿+鋼筋網+錨索+鋼板”支護形式，區段煤柱寬度為20m。頂板錨桿采用MG335左旋高強螺紋鋼錨桿，長度20×2300，間排距700mm×700mm；采用6鋼筋網，尺寸1500mm×800mm，Q235方形鋼托板；錨索采用 15.24×7100 鋼絞線，“2-3”布置，排距 2100，Q235碟形鋼板，尺寸150×150×8mm。

圖2 掘進面巷道頂板離層儀安裝圖

圖3 灌漿巷掘進面頂板離層實測統計

1）首采面灌漿巷掘進中頂板離層觀測結果如圖3(a,b)所示。選取的1#、2#測點正好位于向斜軸部附近。1#測點距離向斜軸部最近，在3m以內（最為嚴重）和3～7m之間均有大的離層，深、淺位離層量在65～97mm之間。2月25號后，1#測點在沖擊礦壓作用下離層儀瞬間損壞，頂板下沉明顯；2#測點深、淺部離層量在18～21mm左右，離層位置在3m以內，離層變形曲線均呈不規則、非線性變化，深、淺位巖層離層變化在10～64天趨于穩定。

2）首采面回風順槽掘進面頂板離層觀測結果如圖4（a～d）所示。灌漿巷與回風巷處于一側，選取2#、3#、6#、7#測點（距離巷口310m）離層觀測結果。

由圖可以看出，深、淺位基點之間的離層不明顯，離層位置在3m以內。離層變形曲線呈明顯的非線性變化，變形穩定周期長，在14～58天基本趨于穩定。

圖4 回風巷掘進面頂板離層實測統計

3）首采面運輸順槽掘進中頂板離層觀測結果如5(a～d) 所示。選取 1#、8#、9#、10# 測點 （距巷口102m～560m）離層情況。

圖5 運輸巷掘進面頂板離層實測統計

由于8#、9#、10#測點距離向斜軸部距離近，深部離層量變化范圍在40mm～165mm，淺部離層量變化范圍在55mm～77mm。離層位置在3m以內和3m～7m之間都有。離層曲線具有非線性變化特征，深淺位離層變化在12～46天后基本趨于穩定。

2.2 沖擊解危后掘巷頂板離層觀測

現場采取“深孔爆破斷頂+大孔徑卸壓”的沖擊礦壓解危工藝[6～8]。解危后的頂板離層觀測選取在401105回風巷、中央二號回風大巷及中央二號輔助運輸大巷開展。

每個巷道頂板安裝3個測點，總共安裝9個測點，安裝位置均在掘進迎頭和迎頭后方25m巷道中軸處。深、淺位基點設計7m和3m、5m和2m、8m和2m三個方案，有利于判斷離層發生的位置。

由圖6(a,b)可以看出，401105工作面回風巷掘進面迎頭處離層較明顯，位置在迎頭煤層頂板上方3～5m位置，后方25m離層位置在頂板上方3m以下，離層變化在6～13天趨于穩定。

圖6 401105回風巷掘進面頂板離層實測統計

圖7 中央二號回風大巷頂板離層實測統計

由圖7(a,b)可以看出，迎頭煤層頂板上方0～3m位置出現離層，離層量最大值5mm；3m～7m之間離層不明顯，0～7m頂板累計離層量6mm。迎頭后方25m處離層只有1mm，煤層頂板基本無離層。整體上，中央二號回風大巷迎頭上方離層顯著，位置在迎頭煤層頂板上方0～2m位置，離層最大值17mm；后方25m離層基本無變化。迎頭至后方25m處的離層量變化在6～11天后趨于穩定。

中央二號輔助運輸大巷受中央膠帶輸送機大巷和中央二號回風大巷雙重掘進影響，且也受水平構造應力影響，離層量相對較大。

由圖8(a,b)可以看出，整體上，中央二號輔運大巷迎頭處離層明顯位置在煤層頂板上方2～5m位置，離層量值在57mm～86mm之間；后方25m離層位置在頂板上方5～8m位置和2～5m位置。離層變化在5～9天趨于穩定。

圖8 中央二號輔運大巷頂板離層實測統計

3 結 論

1）巷道沖擊礦壓解危前，離層位置在頂板上方0～3m和3m～7m之間均有發生，當測點位于構造帶及煤柱附近時，離層量更為顯著，深部離層值20mm～260mm，淺部離層值 22mm～180mm，測點間離層量差值很大；部分測點被損壞，無數據，瞬間破壞性強。頂板深、淺部離層穩定周期長，穩定時間分別為7～64天和14～58天（各測點取最大值集合）。

2）巷道沖擊礦壓解危后，離層主要發生在迎頭頂板上方0～5m位置，離層變化在6～11天趨于穩定，最大離層量1～86mm。迎頭后方25m離層位置主要發生在煤層頂板上方 2～5m和 5～8m位置，離層量0～1mm。沖擊解危后，高能量“煤炮聲”得以有效解決，研究結果為現場沖擊礦壓防治提供科學參考。