胡家河矿井掘进工作面动力显现机理及防治研究

原德胜，韩拴祥，武光辉

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.陕煤彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712000； 3.陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

胡家河矿井掘进工作面动力显现机理及防治研究

原德胜1，2，韩拴祥2，武光辉3

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.陕煤彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712000； 3.陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

胡家河矿井402103工作面掘进过程中出现强烈动力显现，造成顶、底板显著破坏。经鉴定，主采4煤层具有强冲击倾向性。地应力原位测试表明，首采区水平构造应力占主导，最大水平主应力方向与工作面两巷平均夹角67°。根据冲击启动理论分析，402103掘进工作面采动围岩近场系统内静载荷的集聚是动力显现的主要原因，属于集中静载荷型。构造应力方向性及顶煤夹矸影响导致动力显现以顶、底板破坏为主。针对采掘设计、支护、卸压等方面提出综合防范及防治措施，通过微震监测及现场实践，验证了相关措施的有效性。

掘进工作面；动力显现；冲击倾向性；微震

DynamicBehaviorMechanismofDrivingFaceinHujiaheMineandItsPrevention

胡家河矿井目前采掘深度约640m，自2013年1月，402103工作面掘进过程中出现强烈动力显现，造成支护结构频繁破断，巷道显著损坏，返修工程量大，严重制约正常采掘接续。调研发现，此为关中地区乃至陕西省煤矿首次面临类似问题，尚缺乏可借鉴经验。为此，彬长集团联合相关科研单位及时开展相关研究工作。

1 矿井及工作面概况

胡家河矿井首采区煤层平均厚度23m，平均倾角3°。主要巷道均布置在煤层中部，采用分层综采放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。为治理瓦斯、矿井水、煤层自燃等灾害，工作面均采用多巷布置方式，除回风巷、运输巷之外，设计了灌浆巷、泄水巷、高位岩层瓦抽巷，形成“一面五巷”的布置方式。

如图1所示，402103工作面位于大巷北翼，为402盘区首个工作面，倾向长度180m，走向长度2236m，设计五巷布置。开掘402盘区402103工作面的4条煤层回采巷道过程中，出现了强烈的动力显现。“煤炮”频繁发生，多次造成巷道迎头及已支护段出现大面积顶板瞬间下沉或切顶，下沉量最大700mm，顶板锚索频繁破断，局部显著底鼓，底鼓量最大500mm，严重时导致胶带架、掘进机发生显著位移。相对而言，巷帮变形量不大。

图1 402103工作面巷道布置

2 动力显现主要影响因素分析

2.1煤岩冲击倾向性

冲击倾向性是指煤岩体所具有的积蓄变形能并产生冲击式破坏的性质，煤岩冲击倾向性是矿井动力显现的内在本质影响因素。在相同应力环境下，冲击倾向性高的煤体发生冲击破坏可能性要远大于冲击倾向性低的煤体[1]。

按照国家标准GB/T 25217.2-2010《煤的冲击倾向分类及指数的测定方法》，分别对胡家河煤矿4号煤层的上、下分层进行冲击倾向性测定。测定结果表明，4号煤层上、下分层均具有强冲击倾向性，如表1所示。

2.2 地应力状态

地应力是各种地下开挖工程变形和破坏的根本作用力，对煤矿巷道破坏的形式和程度影响显著。采用空芯包体应力解除法对主采区地应力进行测量，测试地点分别布置在具有强烈动力显现的402103工作面附近及井底车场。各测点地应力测量结果如表2所示。表中，σH，σh，σV分别代表最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力。

表1 胡家河煤矿4号煤层冲击倾向性测定结果

表2 胡家河煤矿主应力测量计算结果

可见，最大水平主应力量值上约为垂直主应力的1.84～2.20倍，说明胡家河煤矿地应力场以水平构造应力为主。最大与最小水平主应力比值介于2.05～2.53之间；最大水平主应力方向平均为北偏东(67±9)°，即与402103工作面回采巷夹角平均为67°。

2.3 煤层夹矸

402103工作面掘进巷施工后，多次发生顶板锚索断裂现象，断裂位置一般距离尾部约2.5m，断口多为斜面。地质钻孔显示，4煤层中赋存了1～2层夹矸。夹矸的存在导致顶煤中形成层间弱面，该结构对动力显现的影响机制表现在两方面：煤岩层原生裂隙或弱面将为滑移失稳提供重要的结构基础，在力源因素比较充分的条件下表现得更为突出。高水平构造应力使得弱面易于发生水平滑移，对穿层锚索形成较高剪切力，而锚索自身抗剪强度远低于抗拉强度。

2.4 褶曲构造

研究表明，在煤岩层褶曲构造的向斜和背斜轴部地应力水平较高，且最大主应力一般为水平构造应力，更易于引起以巷道顶、底板受到显著破坏为主的矿压显现或冲击地压[2]。根据首采区三维地震勘探资料，402103工作面受A4背斜和A5向斜影响较大，如图1所示。2013年1月至4月，掘进工作面主要活动在A4背斜轴部影响区，现场统计表明，此为动力显现最为强烈的区段。

2.5 巷道布置方向

由最大水平主应力理论可知，水平应力对巷道围岩变形与稳定性起到重要影响作用[3]。当巷道轴线与最大水平主应力呈一定夹角时，巷道一侧会出现水平应力集中，顶底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮。自402103工作面4条煤层巷道开掘以来，均出现了左侧顶板较右侧更加破碎的现象，以致在巷道成型后，普遍出现左侧高度比右侧高度大300～500mm的情形，如图2所示。分析认为，该区域最大水平主应力为北偏东(67±9)°，对左右成巷差异起到关键作用。

图2 402103工作面巷道成形示意(面向正北)

2.6 掘进作业相互扰动

402103工作面掘进作业集中，在掘进初期，回风巷与灌浆巷几乎并行掘进(相距20m)，导致扰动应力相互影响显著，如图3所示。一般将采掘空间周围支承压力影响范围之外的区域视为非采动影响区，但这仅是从常规的静态应力场角度得出。实际上，在动力显现矿井，采掘活动常伴随着不同强度的煤炮，所谓煤炮实为工作面围岩应力调整过于剧烈而导致的急剧破坏，并瞬间释放弹性能，该弹性能将以地震波的形式向周围传播，当其传播至邻近采掘工作面时，将引起附加动态应力，使其总应力水平急剧升高，为其动力破坏提供充分的应力条件。

图3 掘进作业相互扰动示意

3 动力显现机理

根据冲击启动理论，采动围岩近场系统内集中静载荷E静的积聚是冲击启动的内因，采动围岩远场系统外集中动载荷E动对静载荷的扰动、加载是冲击启动的外因。冲击启动的能量判据为：

E静+E动-EC>0

系统内集中静载荷为采动应力场形成后，以采动围岩中的集中压缩弹性能、顶底板(岩层)弯曲断裂前产生的集中弯曲弹性能为主；系统外集中动载荷包括了远场的或近场的岩层活动、采掘爆破等产生的冲击波，以采场大面积直接坚硬顶板断裂或上覆高位坚硬顶板断裂、底板断裂、井下爆破产生的瞬间集中压缩弹性能为主[4]。

研究认为，胡家河煤矿动力显现的主要应力来源为原岩应力，巷道围岩静载荷的应力集中在岩层顶板未充分活动时，即已为动力显现提供了充分的能量来源。由冲击启动理论可知，402103工作面采动围岩近场系统内静载荷的集聚是动力显现的主要原因，属于集中静载荷型，邻近掘进作业引起的震动应力波叠加起到诱发作用。

全煤巷道处于具有强冲击倾向性煤体的包围之中，各方位均充分具备发生冲击破坏潜在可能。402103工作面动力显现发生主要受水平构造应力影响，且最大水平主应力与工作面巷道夹角较大，因此，巷道冲击破坏以顶、底板为主，顶煤的含矸结构促进了顶板的破坏。

4 防治措施及效果

4.1 调整采掘设计

在满足瓦斯、煤层自燃、顶板水等灾害治理的前提下，尽量减少巷道数量。结合胡家河矿井实际情况，将402103工作面灌浆巷和回风巷合并，同时将泄水巷缩短为1200m。优化后，该工作面累计减少巷道掘进量约3000m，可大大降低动力灾害显现范围和强度，同时显著节约工程成本。同时要求掘进工作面错距不小于150m。

4.2 优化巷道断面

研究表明，直墙半圆拱断面相比矩形断面具有更有利的位移场和应力场，可减小支护结构荷载，同时便于架设U型钢支架。根据胡家河矿井的巷道围岩应力及监测情况，将矩形断面变更为直墙半圆拱型断面。以402103工作面运输巷为例，原矩形断面为：宽×高=5.5m×3.5m，修改为：小弧拱形断面，净高3.95m，弧高0.5m，直墙段3.45m。

4.3 大孔径卸压

由动力显现机理分析可知，402103工作面动力灾害属于集中静载荷型，水平构造应力集中提供主要力源，显现位置主要在巷道顶煤和底板，煤帮稳定性较好。基于此，分别针对掘进迎头、巷帮顶角、巷道底煤进行大孔径卸压[5]。

巷帮顶角处斜向上钻孔，仰角50°，孔径不小于120mm，初步设计孔深13m，在具体施工时以顶板岩层为终止点。钻孔走向间距2.1m(间隔3排锚杆距离)。为防止煤层自燃及损伤浅部支护体，钻孔施工完毕后，应及时用黄泥或水泥封孔，封孔深度2.5m。

4.4 重点区域强化外围支护

实践表明，大能量煤炮发生时，仅依靠锚杆支护往往难以完全耗散冲击能量，支护体可能严重破坏，威胁设备及人员安全。为此，在402103工作面A4背斜及A5向斜轴部等危险区域架设U29钢棚加强支护，棚间距为700mm，空帮空顶处采用半圆木背实顶和帮。

4.5 效果检验

为有效控制动力灾害，胡家河矿井由波兰引进了ARAMIS M/E微震系统，可实现对矿井及工作面动力灾害实时监测[6]。图4为利用该系统对402103运输巷及泄水巷侧每日微震事件平均能量统计的结果。采取措施前，频繁出现能量大于105J的微震事件，并多次造成巷道局部损坏；采取相关措施后，每日微震事件平均能量降至3.5×104J以下，同时在U型钢棚的防护下，巷道损坏情况急剧减少。

可见，通过采取各项防范和防治措施，煤岩能量释放更加均匀，强度更低，对巷道的冲击破坏作用减弱，有效保障了巷道安全。

图4 402103运输巷及泄水巷侧微震能量统计

5 主要结论

(1)胡家河煤矿4号煤层上、下分层均具有强冲击倾向性。

(2)胡家河煤矿地应力场以水平构造应力为主，最大水平主应力量值上约为垂直主应力的1.84～2.20倍。最大与最小水平主应力比值介于2.05～2.53之间，最大水平主应力方向平均为北偏东(67±9)°。

(3)根据冲击启动理论，402103工作面采动围岩近场系统内静载荷的集聚是动力显现的主要原因，属于集中静载荷型动力灾害。以顶、底板破坏为主的显现特征主要受构造应力方向性及煤层夹矸影响所致。

(4)针对采掘设计、支护、卸压等方面提出综合防范及防治措施。微震监测及现场实践表明，以上措施有效控制了动力灾害显现程度，保障了巷道安全。

[1]齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[3]康红普.煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用[M].北京：科学出版社，2013.

[4]潘俊锋，宁 宇，毛德兵，等.煤矿开采冲击地压启动理论[J].岩石力学与工程学报，2012，31(3)：586-596.

[5] 彬长胡家河矿业有限公司，天地科技股份有限公司.胡家河煤矿特厚煤层全煤巷道动力显现机制研究及防治规划[R].2012.

[6]夏永学，蓝 航，魏向志.基于微震和地音监测的冲击危险性综合评价技术研究[J].煤炭学报，2011，36(S2)：359-364.

[责任编辑：潘俊锋]

2013-11-19

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.031

原德胜(1966-)，男，陕西三原人，工程硕士，教授级高工，陕煤彬长矿业集团副总经理兼总工程师。

原德胜，韩拴祥，武光辉.胡家河矿井掘进工作面动力显现机理及防治研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：103-105.

TD324

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1006-6225(2014)04-0103-03