巖巷布置層位與安全質(zhì)量研究

李福海

摘要：布置在二1煤底板以下不同巖性的巷道，普遍存在不同程度的變形及底鼓;建立了巖移觀測站，確定巷道的巖移變形速度，確定巷道圍巖的松動圈，分析影響巷道安全質(zhì)量的因素，評價巷道層位與安全質(zhì)量，建議設(shè)計部門合理布置巷道層位，提高巷道安全質(zhì)量，保證礦井安全生產(chǎn)。

Abstract： The roadways with different lithology under the coal floor of 2① coal have different degrees of deformation and heave. Therefore， it established the rock movement observation station， determined the rock deformation speed of the roadway， determined the loose zone of the roadway surrounding rock， analyzed the factors affecting the safety and quality of the roadway， evaluated the location and safety quality of the roadway， and proposed the design department should rationally arrange lanes， improve the safety and quality of roadways， and ensure the safe production of mines.

關(guān)鍵詞：巷道層位布置;影響主要因素;安全質(zhì)量評價

Key words： lane layout;major factors affecting;safety quality evaluation

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0152-03

1 礦井概況

九礦位于鶴壁市北部邊緣地區(qū)，行政隸屬鶴壁市鶴山區(qū)，距鶴壁市新區(qū)37km，東北距安陽市17km，西依太行山，東臨京廣線、107國道和京珠高速公路，大白線公路穿越礦區(qū)，與安陽市、林州市相連接，交通方便，見圖1。

礦井1958年基建，1966年正式投產(chǎn)。原設(shè)計生產(chǎn)能力30萬t/a，核定生產(chǎn)能力55萬t/a，改擴建后生產(chǎn)能力60萬t/a，現(xiàn)開采二迭系二1煤層。礦井位于鶴壁煤田北部、龍宮井田西段，東西寬約2.5～3.5km，南北長約4.5～6.5km，面積約10km2。

1.1 礦井地層

根據(jù)華北石炭、二疊紀地層區(qū)劃，鶴壁九礦區(qū)域地層屬華北地層區(qū)太行山小區(qū)，發(fā)育震旦系、寒武系、奧陶系中、下統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、二疊系、新近系和第四系。其中石炭系、二疊系為主要含煤地層。

1.2 礦井水文地質(zhì)

主要含水層（組）

①第三、四系砂、礫石（巖）含水層（組）：水位隨季節(jié)變化較大，幅度為1～20m/年，旱季有民井干涸現(xiàn)象。水化學(xué)類型為HCO3—Ca和HCO3—SO4·Ca。

②二1煤頂板中、粗粒砂巖含水層（組）：礦井生產(chǎn)過程中大部分頂板掘進工作面有滴、淋水，工作面回采過程中，當大頂初次冒落后，水量會有所增大，一般為8～20m3/h，最大為39m3/h，水量隨開采深度增加而降低。因此，該含水層裂隙水在生產(chǎn)中易于疏排，對開采二1煤層影響不大。

主要隔水層：

①二1煤層頂板隔水層：山西組以上至基巖面，厚度大于300m。②二1煤層底板隔水層：由泥巖、砂質(zhì)泥巖和薄層砂巖組成，厚16.08～55.07m，一般25～35m，淺部較薄、深部較厚。泥巖、砂質(zhì)泥巖層位穩(wěn)定，厚度大、分布廣，能有效阻隔太原組上段灰?guī)r水充入二1煤生產(chǎn)區(qū)域。

1.3 開拓及開采方法

1.3.1 開拓方式

九礦采用斜井、立井多水平集中下山開拓方式，暗斜井配合副立井開拓延伸。

1.3.2 采煤方法

采用傾向長壁全層放頂和走向長壁分層炮采放頂采煤法，回采工藝采用綜合機械化采煤和炮采，頂板管理方式為全部垮落法。綜采工作面采用：ZFH3200-14.4/26型液壓支架支護頂板，采用MG150/380—WD型雙滾筒采煤機，中部斜切進刀，機械落煤，采高2.2±0.1m，截深0.6m，沿底板割煤。液壓支架尾梁下鋪設(shè)一部SGZ-630/264型刮板運輸機（146m），運輸放下的頂煤，下順槽鋪設(shè)一部SZD-730/90型轉(zhuǎn)載機（45m）。

1.4 巷道布置與質(zhì)量安全現(xiàn)狀

九礦自2006年改擴建以來，巖巷工程量巨大，進尺達萬米，大部分布置在二疊系二1煤底板中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤線中，距二1煤層間距0～50m，由于布置巖巷的巖性層位不同，巷道變形程度也不相同，其中在泥巖、煤線及局部砂質(zhì)泥巖中巷道變形較嚴重，巷道安全質(zhì)量較差，給煤礦生產(chǎn)帶來了巨大的危害，造成了不必要的人力、物力的浪費，所以有必要建立巖移觀測站，對巖巷布置層位與安全質(zhì)量進行研究。

2 巖巷性質(zhì)

根據(jù)九礦地質(zhì)報告，二1煤底板不同巖性的抗壓強度和硬度，對二1煤底板以下至L8灰?guī)r段的巖性分為硬巖層、中硬巖層和軟巖層。硬巖層抗壓強度為57～74MPa，位于二1煤下5～20m，巖性為中粒砂巖;中硬巖層抗壓強度為40～57MPa，位于二1煤下20～27m，巖性為砂質(zhì)泥巖;軟巖層抗壓強度為小于40MPa，位于二1煤下27～35m，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤線。

3 影響巖巷質(zhì)量安全的主要因素

3.1 巖巷布置層位的合理選擇

井下巖巷工程布置的層位選擇與巖巷后期的安全有重大關(guān)系，對于采區(qū)及水平階段的巖巷盡量布置在穩(wěn)定及較穩(wěn)定的巖層中，其抗壓強度Rb應(yīng)大于40MPa的巖層中。如中粒巖、細砂巖、膠結(jié)好的砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r中，相反若布置在抗壓強度小于40MPa的穩(wěn)定性較差的巖層中，如頁巖、泥巖、膠接不好的砂質(zhì)泥巖互層及薄煤中，巖巷圍巖的穩(wěn)定性較差，處于不穩(wěn)定及極不穩(wěn)定狀態(tài)，則巷道變形量較大，底鼓嚴重，圍巖松動圈大于1.5m，該類巖石都呈現(xiàn)出軟巖特征，這就給巷道的布置層位選擇提了科學(xué)合理的要求。

3.2 巷道的埋深

在礦井深部，雖然巖體本身絕對強度較高，但在大埋深、大地應(yīng)力作用下，也會因圍巖壓力大，支護困難。因為地應(yīng)力場引起井巷周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，其數(shù)值超過圍巖本身的極限強度，發(fā)生破碎，圍巖體積擴容脹大，向井巷空間內(nèi)移，擾動范圍較大，長時間不能穩(wěn)定，由于巷道承受的壓力與巷道的埋深成正比，故作用在支架上的壓力增加，致使支護困難，也是影響巖巷質(zhì)量安全的主要因素。巷道圍巖力學(xué)特征用圍巖強度與大地自重應(yīng)力之比來表示，即： C=R1/rH

式中：R1-圍巖飽和水條件下單軸抗壓強度，單位MPa;

R—上覆巖層的平均容重，g/cm3;H—巷道埋深，m。

當c<=2～3時，圍巖強度較差，巷道較難支護;當c>3時，巷道圍巖強度較好，巷道易支護?？梢?，在深井中，盡管圍巖強度大，當c<=2～3時，也就進入大地壓難支護范疇。反之，淺井，但圍巖強度低，也會出現(xiàn)難支護問題。

3.3 巖巷的支護形式

巖巷的支護形式很多，不同的支護形式針對不同的巖層強度。當巷道進入軟巖層時，若未能正確采用合理的支護形式，則會影響巷道的質(zhì)量安全問題。巷道的支護形式主要有：

①錨桿噴射混凝土支護（簡稱錨噴支護）;

②錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土支護（簡稱錨網(wǎng)噴支護）;

③錨桿、金屬網(wǎng)、鋼架、噴射混凝土支護（簡稱錨網(wǎng)噴架支護）;

④錨桿、噴射混凝土和錨索聯(lián)合支護（簡稱錨噴索支護）;

⑤錨桿、金屬網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護（簡稱錨網(wǎng)索支護）;

⑥錨桿、梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護（簡稱錨梁網(wǎng)支護）;

⑦錨桿、金屬網(wǎng)、可縮性金屬支架聯(lián)合支護（簡稱錨網(wǎng)架支護）;

⑧錨桿、金屬網(wǎng)、桁架支護（簡稱錨網(wǎng)桁支護）;

⑨錨、梁、網(wǎng)、噴、注漿聯(lián)合支護;

⑩可縮性金屬支架。

大量的實踐證明，錨網(wǎng)噴、可縮性金屬支架及錨索都是軟巖巷道支護的有效手段，有時可相互配合聯(lián)合使用，對解決巖巷質(zhì)量安全問題起重要的作用。

3.4 采動影響的應(yīng)力集中區(qū)

井下巖巷受回采工作面采動后的應(yīng)力集中區(qū)影響破壞程度較大，也是影響巖巷質(zhì)量安全的主要因素之一。應(yīng)力集中區(qū)一般沿采空區(qū)邊界向工作面內(nèi)部下方呈70°的傾角分布，巷道破壞程度與采空區(qū)邊界夾角及深度有關(guān)。煤層底板巖巷距采空區(qū)邊界應(yīng)力集中區(qū)越近破壞越嚴重;巖巷走向與采空區(qū)邊界夾角越小，巖巷破壞的長度越長。如九礦-420軌道北翼大巷南部及-420爆破材料庫回風(fēng)巷處于2504采動后形成的底板應(yīng)力集中區(qū)，巷道均有不同程度的變形，對礦井安全及運輸系統(tǒng)影響較大，只能對影響的巷道進行二次支護。相反位于采空區(qū)中部地段的卸壓區(qū)，其下部巖巷的圍巖強度相對穩(wěn)定，質(zhì)量安全較好。如-420軌道上山下段位于2504采動后的卸壓區(qū)，巷道質(zhì)量相對較穩(wěn)定。

4 巖巷布置層位與安全質(zhì)量評價

隨著礦井深部的延伸，在淺部地區(qū)不明顯的變形，也隨著深度的增加巷道變形速度也在增加，但對不同巖性的巖層進行巖移觀測，其變形速度也不同，巷道的變形程度也不同，圍巖的松動圈也存在差異，用礦井地質(zhì)小構(gòu)造探測儀對井下不同圍巖的松動圈進行了松動探測，在硬巖層S9砂巖中布置的巷道圍巖松動圈為10～50cm，在中硬巖層砂質(zhì)泥巖中布置的巷道其圍巖松動圈為40～120cm，在軟巖層泥巖及煤線中布置的巷道其圍巖松動圈為120～200cm。

經(jīng)過巖移觀測綜合評價不同巖性的巷道變形速度結(jié)果如下：在硬巖層S9砂巖及L8灰?guī)r頂部砂巖中，巷道圍巖變形速度為0.17～0.62mm/d，平均為0.41mm/d;在中硬巖層砂巖泥巖中巷道圍巖變形速度為0.76mm～1.01mm/d，平均為0.94mm/d;在軟巖層中泥巖及煤線中巷道圍巖變形速度為3.00～6.17mm/d，平均為4.37mm/d。

由此可見在二1煤底板下部一91煤～一92煤底之間約8m內(nèi)布置的巷道巖層強度較低，圍巖變形速度比一般中硬巖石大，圍巖變形速度為4.37mm/d，松動圈超過1.2m，對巷道安全質(zhì)量影響較大;在二1煤老底S9砂巖中的15m內(nèi)布置的巷道，巖層強度較高，圍巖變形速度為0.41mm/d，松動圈小于0.5m，對巷道安全質(zhì)量影響較小;在二1煤老底與一91煤之間5m內(nèi)和一91煤底部6m內(nèi)的砂巖泥巖中布置的巷道，巖層強度中等，圍巖變形速度為0.94mm/d，松動圈為0.4～1.2m，對巷道安全質(zhì)量有一定影響。

5 結(jié)論與建議

①井下巷道地質(zhì)分析;

②提出影響巖巷質(zhì)量安全的主要因素;

③對九礦巖巷布置層位與安全質(zhì)量進行評價。

二1煤底板下部約8m內(nèi)布置的巷道巖層強度較低，圍巖變形速度比一般中硬巖石大，圍巖變形速度為4.37mm/d，對巷道安全質(zhì)量影響較大;在二1煤老底S9砂巖中的15m內(nèi)布置的巷道，巖層強度較高，圍巖變形速度為0.41mm/d，對巷道安全質(zhì)量影響較小;在二1煤老底與一91煤之間5m內(nèi)和一91煤底部6m內(nèi)的砂巖泥巖中布置的巷道，巖層強度中等，圍巖變形速度為0.94mm/d，對巷道安全質(zhì)量有一定影響。

建議礦井生產(chǎn)設(shè)計部門對巖巷布置層位的安全質(zhì)量要充分考慮，盡量布置在硬巖層中，減少不必要的二次支護，地測部門要加強礦井深部巷道巖移觀測以及地層巖石力學(xué)特征進行研究，為生產(chǎn)、開拓部門提供基礎(chǔ)參數(shù)，保證礦井生產(chǎn)建設(shè)安全正常發(fā)展。

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