急傾斜薄煤層巷道變形破壞及頂板冒落特征分析

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急傾斜薄煤層巷道變形破壞及頂板冒落特征分析

曹建輝，劉華君

(川煤集團(tuán) 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(hù)效果差，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響，煤層開采方法不同等導(dǎo)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(yùn)輸帶來巨大影響，導(dǎo)致工作面不能正常生產(chǎn)，甚至停產(chǎn)。因此，以趙家壩礦1922工作面巷道為工程背景，對(duì)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?shù)装宓年P(guān)系進(jìn)行研究，可以此特征為依據(jù)采取有效的措施，避免巷道頂板冒落發(fā)生重大事故。

關(guān)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(jiǎn)介：曹建輝(1963—)，男，四川三臺(tái)人， 1986年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)學(xué)院，高級(jí)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(hào)：TD32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(zāi)害之一，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在煤礦事故中，冒頂事故傷亡人數(shù)占40%以上。近年來，隨著采煤方法、采煤技術(shù)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(hù)技術(shù)和裝備投入以及理論研究相對(duì)較弱，巷道頂板事故發(fā)生率呈現(xiàn)相對(duì)上升趨勢(shì)。神華寧煤集團(tuán)棗泉煤礦12205首采面膠帶運(yùn)輸巷、黑河市151煤礦等都發(fā)生過頂板冒落事故，給礦井安全生產(chǎn)造成了極大的危害。我國(guó)學(xué)者對(duì)于急傾斜煤層開采頂板應(yīng)力及變形情況的研究已經(jīng)日漸成熟[2-3]，但對(duì)于薄煤層工作面研究較少[4]，而對(duì)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(jī)理，為急傾斜薄煤層巷道支護(hù)及管理提供理論依據(jù)，顯得尤為重要。

趙家壩礦+115 m水平102采區(qū)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(hù)支架采煤法，俯偽斜角度為30°，1922工作面上部為采空區(qū)，巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)。開采過程中運(yùn)輸巷頂板壓力大，頂?shù)装遄冃螄?yán)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(zhì)。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)巷道頂板變形及冒落影響很大，堅(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)生變形及頂板冒落。

2) 地質(zhì)構(gòu)造。巖石的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巷道變形破壞也有影響，當(dāng)巷道處于斷層或者陷落柱地段附近，巷道變形會(huì)很大，局部出現(xiàn)大面積的冒落，巷道支護(hù)困難；當(dāng)巷道頂板巖層中有弱面時(shí)，頂板巖層的離層量大，離層導(dǎo)致頂板出現(xiàn)冒落。

3) 煤層傾角。煤層傾角不同會(huì)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(qū)段煤柱成為巷道的幫部和頂板，形成幫頂?shù)怪脿顟B(tài)，區(qū)段煤柱的失穩(wěn)導(dǎo)致巷道的變形破壞，使急傾斜煤層巷道容易出現(xiàn)靠近煤層區(qū)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(xiàn)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(dǎo)致巷道變形量及破壞加重，甚至出現(xiàn)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(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致頂板上方含水層通過導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)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(fēng)等作用下產(chǎn)生風(fēng)化、軟化等情況，從而巖石強(qiáng)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(shù)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(dòng)影響不同。走向長(zhǎng)壁和傾斜長(zhǎng)壁開采中巷道布置受采動(dòng)影響等不同，導(dǎo)致巷道變形破壞影響不同。

2) 巷道與開采工作面關(guān)系。當(dāng)巷道為首采工作面巷道時(shí)，巷道受一側(cè)采動(dòng)影響，巷道變形破壞相對(duì)較小，巷道受兩側(cè)采動(dòng)影響，巷道變形量更大，當(dāng)工作面位于采空區(qū)下方時(shí)，巷道不僅受工作面采動(dòng)影響，同時(shí)受到上方煤層工作面采動(dòng)影響，巷道的變形破壞更為嚴(yán)重，同時(shí)發(fā)生巷道巨大變形及冒落的傾向性加大。

3) 巷道支護(hù)情況。巷道支護(hù)對(duì)巷道變形的影響較大，比如采用錨桿支護(hù)、U型鋼支架支護(hù)、錨索網(wǎng)支護(hù)或者錨注支護(hù)等。

2巷道與煤層和頂?shù)装尻P(guān)系分析

當(dāng)巷道為薄煤層時(shí)，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(jìn)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(dāng)煤層為急傾斜薄煤層時(shí)，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(chǎn)要求、便于維護(hù)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(zhì)泥巖，直接底為薄至中厚層狀粉砂巖，現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)及煤層和巖層節(jié)理面的存在，導(dǎo)致急傾斜薄煤層巷道變形與傳統(tǒng)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(jù)該礦現(xiàn)場(chǎng)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(guī)則變形，頂板不規(guī)則變形兩種。其主要特點(diǎn)是在上覆巖層重力作用下，頂板巖層彎曲下沉。規(guī)則變形一般頂板受力比較均勻，變形后巷道頂板比較規(guī)整，而不規(guī)則變形主要是受力不均或者巷道周圍結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙發(fā)育狀態(tài)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(fā)生巷道局部底鼓及塑性膨脹，由于臥底布置巷道導(dǎo)致底板部分區(qū)域處于煤層中，部分處于巖層底板中，導(dǎo)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(qū)域底鼓現(xiàn)象及塑性膨脹易發(fā)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(xiàn)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(fā)生在靠近底板側(cè)幫部，巖塊在受力作用下出現(xiàn)幫鼓；巷幫小塊滑落或片幫主要發(fā)生在靠近煤層側(cè)，煤層受力破壞出現(xiàn)小塊滑落；巷幫裂開在兩幫都有發(fā)生，一般底板側(cè)裂開后滑落情況少，煤層側(cè)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.

圖5　 巷道兩幫變形破壞示意圖

3.2巷道頂板冒落特征

巷道頂板冒落特征與常規(guī)煤層相比，也具有較大的差別，主要體現(xiàn)在冒落的分布區(qū)域不同和冒落形態(tài)，見圖6.

圖6　巷道頂板冒落特征示意圖

4結(jié)論

1) 巷道變形破壞及頂板冒落影響因素可以分為自然因素、開采方法和技術(shù)因素。急傾斜薄煤層中煤層傾角、煤巖層物理性質(zhì)、巷道與開采工作面關(guān)系和巷道支護(hù)對(duì)巷道變形破壞及頂板冒落影響較大。

2) 根據(jù)巷道采石位置不同，急傾斜薄煤層巷道也可以分為挑頂、臥底、挑頂兼臥底3種，趙家壩礦現(xiàn)場(chǎng)采用臥底方式。

3) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道布置方式、巷道變形破壞及頂板冒落特征，總結(jié)得到巷道頂板變形破壞、底板變形破壞、兩幫變形破壞和頂板冒落特征，同時(shí)也可以看出其變形破壞及頂板冒落特征與常規(guī)巷道的變形破壞和頂板冒落的不同。

參考文獻(xiàn)

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Analysis on Characteristics of Roadway Deformation and

Roof Caving in Steeply Inclined Thin Coal Seam

CAO Jianhui, LIU Huajun

Key wordsRoof caving; Deformation and failure; Steeply inclined thin coal seam; Position of quarry

·試驗(yàn)研究·