泉店礦二1煤層巷道差異頂板分類及專家支護系統(tǒng)開發(fā)

張輝

（河南神火興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司 許昌 461000）

以泉店煤礦14010上巷（煤層巷道）為例，結(jié)合泉店煤礦地質(zhì)賦存條件，整合之前泉店礦二1煤層巷道支護成功案例，系統(tǒng)的將泉店礦煤層巷道頂板進行分類研究，并在此基礎(chǔ)上編譯巷道支護軟件，為二1煤層巷道支護提供技術(shù)參照。

1 泉店礦二1 煤層巷道差異頂板分類指標(biāo)

泉店礦地質(zhì)類別跨度大，影響煤層巷道頂板穩(wěn)定性及支護對策的最主要和敏感因素為：巷道頂板賦存條件、巖體質(zhì)量加權(quán)指標(biāo)、軟弱夾層影響程度和頂板不安全因子。

1.1 巷道頂板賦存條件

頂板結(jié)構(gòu)是分析煤層巷道穩(wěn)定性的必要因素，當(dāng)前煤礦常用頂板錨桿的長度為2.0～3.0m，因而2.0～3.0m內(nèi)巖性的賦存狀態(tài)是頂板支護方式的關(guān)鍵因素，將泉店煤層巷道頂板分為三類[4-5]：

（1）頂板為完整的泥巖、砂質(zhì)頁巖或砂質(zhì)泥巖，層理不發(fā)育，層厚一般超過1.0m，為a類完整型頂板；

（2）頂板巖性為裂隙或?qū)永磔^發(fā)育的砂巖，或較完整且層理不發(fā)育的泥巖或砂質(zhì)泥巖，頂板有誘發(fā)冒頂?shù)牧严叮瑢雍褚话悴怀^1.0m，為b類較完整型頂板；

（3）當(dāng)頂板不夠完整，層理發(fā)育，最大完整層厚一般不超過0.7m，為c類不完整型頂板。

如表1為典型巷道頂板賦存條件分類。

表1 典型巷道頂板賦存條件分類

1.2 巖體加權(quán)強度指標(biāo)

巖體強度是影響煤層巷道頂板穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，本文利用巖石堅固性系數(shù)f來分類圍巖，f值等于巖石的單向抗壓強度除以10，f也稱為普氏系數(shù)。具體表達式如下

普氏分級法將f＞8的巖石，定義為堅硬巖石，8＞f＞3為中等堅硬巖石，f＜3的為軟巖。

典型煤層巷道分析：

（1）11050煤層巷道頂板4m內(nèi)為中細砂巖，根據(jù)礦方資料得巖石單軸抗壓強度為126.6 MPa，f值為12.6，可定義為堅硬巖石；

（2）11020煤層巷道頂板1.03m為砂質(zhì)泥巖，1.53m為細粒砂巖，1.98m為泥巖，根據(jù)礦方資料計算頂板4m內(nèi)加權(quán)單軸抗壓強度為65.2 MPa，f值為6.52，可定義為中等堅硬巖石。

1.3 軟弱夾層影響程度

泉店礦深部煤層巷道對頂板支護主要采用的是錨桿支護。當(dāng)前技術(shù)下，煤礦常用頂板錨桿的長度為2.0～3.0m，一般不超過3.5m，所以取軟弱夾層在頂板的三個位置進行研究，分別為錨桿錨固區(qū)內(nèi)1.5m，錨桿錨固區(qū)邊緣3.0m，錨桿錨固區(qū)外4.5m。

經(jīng)相關(guān)研究得，當(dāng)軟弱夾層在錨桿錨固區(qū)內(nèi)部時，頂板不會出現(xiàn)離層跨冒事故；當(dāng)軟弱夾層在錨桿錨固區(qū)邊緣時，錨固體的強度完全取決于錨固巖體的抗剪強度，可能會導(dǎo)致頂板的離層跨冒；當(dāng)軟弱夾層在錨桿錨固區(qū)外部時，錨固體能夠支撐上部圍巖的應(yīng)力頂板一般不會跨冒[6]。

綜上，結(jié)合泉店礦煤層巷道實際情況，可將煤層巷道按軟弱夾層影響程度分為三類：

（1）煤層巷道頂板無軟弱夾層，頂板支護程度很好，受軟弱夾層影響為無；

（2）煤層巷道頂板軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)內(nèi)部或錨桿錨固區(qū)外部時，頂板支護及時合理時不會出現(xiàn)離層跨冒事故，受軟弱夾層影響程度為中等；

（3）煤層巷道頂板軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣時，錨固體的強度完全取決于錨固巖體的抗剪強度，可能會導(dǎo)致頂板的離層跨冒，受夾層影響程度為嚴(yán)重。

典型煤層巷道分析：

（1）14060煤層巷道頂板無軟弱夾層，頂板支護程度良好，受夾層影響程度為無；

（2）11080煤層巷道頂板直接頂屬于軟弱夾層，且位于錨桿錨固區(qū)內(nèi)部，受夾層影響程度可定義為中等，14030煤層巷道頂板在6m左右處為0.28m厚輝綠巖，屬于軟弱夾層，且位于錨桿錨固區(qū)外部，受夾層影響程可定義為中等。

1.4 頂板不安全因子

頂板不安全因子是指頂板10m范圍內(nèi)抗壓強度小于25MPa或厚度小于0.3m的巖層厚度之和與總厚度的比值，稱為頂板不安全因子。

為了充分考慮巖性類型、完整性、頂板巖石成分和結(jié)構(gòu)對頂板安全性的影響，不僅包括抗壓強度小于25MPa或厚度小于0.3m的巖層厚度，也包括破碎裂隙層厚度。L為10m范圍內(nèi)的頂板厚度[7]。

當(dāng)K≥0.4時為不安全頂板，需要對巷道進行特殊處理加強支護；當(dāng)0.4＞K＞0.2時為較不安全頂板，需要在原有支護的基礎(chǔ)上加強支護強度；當(dāng)K≤0.2時為安全頂板，可按常規(guī)方法進行支護。

典型煤層巷道分析：

（1）14020煤層巷道頂板巖性較好，10m范圍內(nèi)為粉砂巖3.87m，泥質(zhì)砂巖9.07m，K≤0.2，可定義為安全頂板，常規(guī)支護；

（2）14060煤層巷道頂板10m范圍內(nèi)為泥巖2.36m，中細砂巖5.46m，砂質(zhì)泥巖7.63m，根據(jù)礦方資料得泥巖抗壓強度為23.4MPa，K＝0.236，0.4＞K＞0.2，可定義為較不安全頂板，強化支護。

2 泉店礦二1 煤層巷道差異頂板分類

將上文所分析的四個因素：巷道頂板賦存條件、巖體強度加權(quán)指標(biāo)、軟弱夾層影響程度及頂板不安全因子綜合考慮，交叉組合，并結(jié)合實際情況，可以將泉店煤礦二1煤層巷道分為五類，見表2。

表2 二1煤層巷道差異頂板分類

3 專家支護系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)

泉店礦二1煤層巷道頂板分類及專家支護系統(tǒng)采用的Visual Basic 6.0開發(fā)平臺結(jié)合Access 2010系統(tǒng)開發(fā)中所應(yīng)用到的核心技術(shù)：VB圖形界面設(shè)計、Access 2010數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)[8-10]。

3.1 系統(tǒng)預(yù)期功能及開發(fā)技術(shù)

系統(tǒng)主要功能要求：

（1）提供不同巷道施工工藝；

（2）針對不同巖性進行不同頂板條件基本參數(shù)的輸入；

（3）根據(jù)輸入?yún)?shù)對巷道進行分類。

3.2 系統(tǒng)UI設(shè)計與功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)在單擊軟件圖標(biāo)后即會進入登錄界面，該頁面主要有四個功能按鈕，包括登錄、退出、關(guān)于、系統(tǒng)流程圖等。主要介紹系統(tǒng)相關(guān)背景，及使用說明。基本參數(shù)輸入界面是進行巷道分類的前提，由上文提出的四種分類依據(jù)巷道頂板賦存條件、巖體質(zhì)量加權(quán)指標(biāo)、軟弱夾層影響程度和頂板不安全因子，依次將相關(guān)參數(shù)填入系統(tǒng)中，系統(tǒng)將其智能分類。

4 典型巷道試驗

4.1 巷道概況

14010上巷為回采巷道。設(shè)計長度為1300.98m，巷道沿二1煤層掘進，最大坡度為23°，最小坡度為5°，平均坡度為16°。14010上巷煤層較穩(wěn)定，最小2.18m，最大3.36m，平均2.85m。

4.2 工程類比

系統(tǒng)所提供支護方案是現(xiàn)場支護設(shè)計的重要參考依據(jù)，現(xiàn)場施工時根據(jù)實際情況做出相應(yīng)調(diào)整，表3是系統(tǒng)類比值與實際施工值的比較。

表3 系統(tǒng)類比與實際施工對比

4.3 礦壓觀測

泉店煤礦14010上巷礦壓觀測試驗從2019年4月10日開始到2019年10月20日結(jié)束。試驗過程中對二水平南翼軌道大巷巷道兩幫及頂?shù)装逡平窟M行了觀測。共設(shè)9個礦壓觀測點，分別位于巷道通尺400m～900m處，經(jīng)分析得到巷道表面位移量最大發(fā)生在通尺600m處，巷道左幫最大移近量達到55mm，巷道右?guī)妥畲笠平窟_到60mm，巷道頂板最大移近量達到62mm。巷道整體支護較好。

5 結(jié)論

（1）通過分析泉店礦二1煤層巷道頂板賦存情況，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果，確定了巷道頂板賦存條件、巖體質(zhì)量加權(quán)指標(biāo)、軟弱夾層影響程度和頂板不安全因子為二1煤層巷道差異頂板分類指標(biāo)。

（2）根據(jù)煤層巷道差異頂板分類及大量煤層巷道支護成功案例編制泉店礦二1煤層巷道差異頂板分類專家支護系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于14010上巷。