正利煤矿动静压巷道矿压显现规律对比研究

刘继平，姜耀东，詹绍建，关云鹏，王宏伟，李彦伟

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

1 工程概况

正利矿井田位于吕梁山脉芦芽山南部典型的黄土梁峁地貌的丘陵区。地势南高北低，最低海拔1148.2m，最高海拔1354.2m，井田中部有岚河流过，井田面积16.1km2。矿井为低瓦斯矿井，井田属地温正常区。矿井采用立井开拓，煤层回采采用长壁综采一次采全高采煤法，当前采区为一采区。一采区走向长4.13km，倾斜宽1.74km，面积约7.18km2，设计可采储量34.41Mt，设计生产能力1.5Mt/a，服务年限16.4年。论文涉及的矿压监测项目即在一采区14-1103综掘顺槽及14-1107掘进顺槽进行。

该矿当前的回采面为14-1101、14-1103工作面，掘进面为14-1107面，其中14-1101面回采工作已基本结束。本文所研究的动压巷道为14-1103回采面顺槽巷道，静压巷道为14-1107掘进面顺槽巷道，如图1所示。正利矿4-1号煤为14-1103回采面主采煤层，该煤层稳定，整体呈单斜构造，走向近南北，倾向东，倾角6～10°，平均8°。煤层厚度为1.8～4.75m，均厚3.75m，走向长2212.7，倾向长180m，工作面综合柱状图如图2所示。该工作面地质构造以小断层发育为主，共揭露7条正断层，落差最大5.5m，断层走向基本与工作面斜交。

图1 正利矿14-1103回采面和14-1107掘进面平面图

因14-1107工作面暂未形成回采系统，所以本文所研究的静压巷道为14-1107综掘下顺槽，如图1所示。14-1107掘进工作面主采也为4-1号煤层，煤层走向近北西，倾向北东，倾角6°左右，4-1号煤层厚度3.75～4.0m，平均3.88m。煤层含1～2层夹矸，夹矸厚0.17～0.45m，夹矸岩性以黑灰色砂质泥岩为主，工作面内预计无断层及陷落柱等构造发育，地质构造简单。

2 动静压巷道矿压显现规律

2.1 测站布置

现场监测主要包括顶板锚杆、锚索受力监测、两帮锚杆受力监测、顶底板移近量监测、两帮移近量监测，工作面液压支架工作阻力监测等。动压巷道测站监测点位于为14-1103综采上顺槽，其中顶锚杆受力监测点20个，顶锚索测点8个，顶板离层监测点12个，帮锚杆测点26个，如图3所示。静压巷道测站位于14-1107综掘下顺槽，共设监测点26个，其中顶锚杆受力监测点6个，顶锚索受力监测点7个，顶板离层监测点13个(图4)。由于监测所得数据较多，本文仅以一个断面上的监测点监测所得数据加以说明。即以14-1103综采上顺槽990m处顶锚杆、锚索及帮锚杆受力情况进行分析。

2.2 监测方案

1)掘进过程中，每班用MYJ型锚杆预紧力检测仪对所注的锚杆进行检测，凡达不到规定预紧力的锚杆必须停止其它作业进行处理，并做好验收记录。

2)每安设300根锚杆时，采用LDZ200矿用锚杆拉力计做1组锚杆拉拔检验，每组锚杆不少于9根，ф20mm锚杆不小于设计张拉力80 kN，ф18 mm锚杆不小于设计张拉力60 kN；并做好记录，设计或材料变更应另取一组检验。

图2 岩层综合柱状图

图3 14-1103综采上顺槽矿压监测测点布置

图4 14-1107综掘下顺槽测点布置

3)掘进过程中每隔100m沿巷道中线安装一组LBY-3型顶板离层仪。队技术员每7天观察一次顶板离层量，做好记录并及时上报有关部门，以便进行数据的分析、整理工作，直至巷道施工完毕。

全年共落实中央水利建设投资1408亿元，同口径相比，较2012年增加140亿元。其中中央预算内固定资产投资717亿元，财政专项资金669亿元，中央水利建设基金22亿元。投资安排上，中西部地区投资比重84%，民生水利投资比重72%。国家发展改革委批复重点水利项目41项，总投资1145亿元。

4)若顶板离层量、顶底板相对移近量监测值超过有关规定，则应及时上报有关技术部门进行支护参数修改，加强支护。

2.3 静压巷道矿压规律分析

根据监测结果得到锚杆受力和顶板离层与推进度的关系曲线如图5所示。静压巷道矿压监测开始时掘进工作面距最近的监测点约为110m。由图可知，静压巷道锚杆受力及顶板离层变化规律相对简

图5 静压巷道锚杆受力及顶板离层随推进度变化曲线

单，锚杆受力随推进度的变化近似呈线性，变化率最大为0.03kN/m，最小为0.01kN/m，最大增量为8kN。由图5可知，静压巷道的顶板离层基本没有监测到变化，其最大变化值为3mm。

统计锚杆受力随时间的增长速度以及最大增量如表1所示。由表可知锚杆受力增速较小，最大为0.49kN/d，且各锚杆受力增速呈减小的趋势，即随着工作面的推进，锚杆受力变化趋于平稳，当掘进工作面距测点超过300m后锚杆受力增速为初始增速的1/3～1/4且低于0.1kN/d，锚杆受力最大增量约为8kN，远小于锚杆的锚固力，此时可以认为锚杆受力稳定，锚杆足以承受顶板压力。

表1 静压巷道锚杆受力增速及增量统计

2.4 动压巷道矿压规律分析

以动压巷道14-1103综采上顺槽3#锚杆、5#锚杆、6#锚杆、7#锚杆为例，根据监测数据绘制出典型的锚杆受力与推进度的关系曲线如图6所示。

由图6可知，动压巷道当工作面推进至880m时3#～7#锚杆受力开始出现明显增长；当工作面推进至903m时3#～7#锚杆开始呈对数增长。动压巷道顶板受力在距工作面110m以外受动压影响较小，受力变化与静压巷道顶板锚杆受力情况近似；在距工作面30～65m范围内动压巷道顶板锚杆受力明显受动压影响，锚杆(索)受力在短期内迅速增长直至破坏。

以10m的间距选取7个锚杆受力监测点，并统计其受力最大增速、最大增量以及最大增速下的受力增量占总增量的比例等情况如表2所示。

由表2可知，各锚杆受力的最大增长速度可达到55kN/d，平均可达到7kN/d，而最大增速出现的位置多在距工作面15m范围以内，各锚的受力最大值并未超过锚杆的锚固力，但个别锚杆的最终受力达到了锚杆锚固力的80%。

统计各锚杆受力在最大增速下的增长量占总增量的比例如表2所示。由表2可知，最大增速下锚杆受力增量占总增量的比例最低为44%，最高达88%，平均占比在66%以上。也就是在短期内(最短半天，最长3天)锚杆受力的增量即占到总增量的大部分，而其他时间锚杆受力增长缓慢，增量较小。

图6 锚杆受力与推进度关系曲线

表2 锚杆受力最大增速与距工作面的距离

以50m的间距选取4个顶板离层监测点，绘出顶板离层与推进度关系曲线如图6，顶板离层速度、最值等如表3所示。

表3 顶板离层速度及最大离层值

由图6及表3可知，回采巷道顶板离层在工作面距测点20～30m时开始出现变化，但变化值很小，离层速度基本为0，而在距工作面100m以外则未监测到离层变化。各离层仪监测值均在距工作面5～10m以内突然迅速增大，在几小时内迅速达到峰值，最大离层速度可达15mm/h，最大离层值为67mm。分析可知，顶板离层同样表现出突变的特性，这在对回采巷道的现场观察中也的到了验证。

2.5 动静压巷道矿压规律对比分析

2.5.1 锚杆受力、顶板离层等变化规律不同

静压巷道顶板受力呈线性变化且变化较小，变化率最大为0.23kN/d，最小为0.04kN/d，最大增量为8kN。动压巷道顶板受力在距工作面110m以外呈线性增长，最大增量0.5k～1kN；在距工作面50～65m范围内呈缓慢曲线增长，增幅1k～2kN；在工作面20m范围内顶呈对数增长，最大增速可达50kN/d，最大增量约为70kN，并且在此范围内的增长量占到总增量的约66%。

静压巷道顶板离层与顶板锚杆受力情况类似，没有明显增长；动压巷道顶板离层在距工作面100m范围外基本不受动压影响，动压影响范围在50～60m范围以内。随着工作面的推进，监测值增长幅度逐渐变大，并在短期内达到最大值，各点监测值最大增量为67mm。

2.5.2 动静压巷道锚杆受力，顶板离层增幅相差较大。

分析工作面推进200m过程中锚杆受力、顶板离层的变化情况如表4所示。

表4 锚杆受力顶板毛给你受力增速及增量

由表可知动压巷道锚杆受力增速、增量远大于静压巷道，在动压影响范围内锚杆受力、顶板离层的增长具有突然性，即锚杆受力、离层值多在距工作面较近时短期内急速增长。这种锚杆受力突然急剧增加的情况可能导致锚杆受力来不及向周边分散而超过其锚固力，因此可能导致锚杆被拉出失效。

3 结论

本文以正利矿14-1103回采工作面与14-1107掘进巷道的矿压及离层监测为案例，对比分析了动静压巷道的矿压显现规律，得出如下结论。

1)顶锚杆锚索的受力随工作面的推进而有不同的变化。当工作面在距离测点100m以外的范围内时，锚杆(索)受力基本不变；当工作面推进至距离锚杆(索)测点40～50m范围内时，锚杆(索)受力开始出现线性的缓慢增长；当工作面推进至距测点20～30m范围内时锚杆(索)受力开始显著增长并迅速达到峰值。

2)回采面的停采对锚杆(索)受力有明显的影响。随着回采面的停采，距离回采面较近的部分测点受力会继续增长且增幅较大，距离回采面较远的测点受力则逐渐趋于平稳。

3)锚杆受力最大增速可达55kN/d，最大增量为70kN，顶板离层速度最大可达15mm/h，最大离层值为67mm，高速增长的位置均临近工作面，高速增长时间短。

4)坚硬顶板条件下的回采巷道顶板受力、位移的变化都具有突变的特性，即在距工作面一定范围

之外各监测值变化缓慢或监测不到变化，而当工作面推进至距测点较近的某一范围内时，各项监测值会突然急剧增长，并在短期内达到最大值。

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