【正文】 常規(guī)支護監(jiān)測的手段 ......................................................................................... 72 .................................................................................... 72 巷道頂板離層監(jiān)測 ................................................................................... 76 錨桿 (索 )承載監(jiān)測 .................................................................................... 83 錨桿的錨固力檢測 ................................................................................... 85 錨桿施工質(zhì)量評定 ................................................................................... 88 研究型支護監(jiān)測的手段 ..................................................................................... 88 GCL1型超聲波斷面量測儀 .................................................................... 88 測力錨桿 ................................................................................................. 90 多點位移計 ............................................................................................. 95 新型支護監(jiān)測的手段 ....................................................................................... 102 YZTII型巖層鉆孔探測儀 ...................................................................... 102 KZL300型巷道頂板離層自動監(jiān)測報警系統(tǒng) ........................................... 104 監(jiān)測信息反饋及處理 ....................................................................................... 111 監(jiān)測信息反饋指標選取 .......................................................................... 111 監(jiān)測信息反饋指標數(shù)值的確定 ............................................................... 113 修改與不修改設(shè)計準則 .......................................................................... 116 6 課題結(jié)論 .................................................................................................................. 118 7 參考文獻 .................................................................................................................. 121 計 劃 任 務(wù) 書 .................................................................................................... 127 淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災(zāi)害防治關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究 1 1 概述 課題 立項背景 礦山頂板災(zāi)害 是指在礦井地下開采過程中頂板巖石失穩(wěn)冒落引發(fā)的災(zāi)害。目前，全國煤礦頂板災(zāi)害事故死亡人數(shù)居高不下，并且已超過瓦斯災(zāi)害事故死亡人數(shù)，居煤礦各類災(zāi)害事故之首。據(jù)統(tǒng)計， 199720xx 的 10 年間，煤礦頂板災(zāi)害事故死亡人數(shù)占煤礦總死亡人數(shù)的 ％，煤礦瓦斯災(zāi)害事故死亡人數(shù)占煤礦總死亡人數(shù)的 ％。其中， 20xx20xx 年的 5 年間，煤礦頂板災(zāi)害事故死亡人數(shù)占煤礦總死亡人數(shù)的 ％，煤礦瓦斯災(zāi)害事故死亡人數(shù)占煤礦總死亡人數(shù)的 ％。頂板災(zāi)害與瓦斯災(zāi)害引起的死亡人數(shù)之和占煤礦總死亡人數(shù)的 70％，可見，頂 板事故和瓦斯事故是煤礦生產(chǎn)中發(fā)生次數(shù)最多、死亡人數(shù)最多、影響面最廣的礦山重大災(zāi)害。因此，有效控制頂板事故和瓦斯事故，將有效遏制煤礦災(zāi)害，從根本上改變煤礦的安全生產(chǎn)狀況。近年來，國家加大了煤礦瓦斯災(zāi)害防治的技術(shù)攻關(guān)和綜合治理力度，瓦斯災(zāi)害已初步得到遏制，瓦斯災(zāi)害事故死亡人數(shù)及所占比例明顯下降，取得了明顯成效。相比而言，國家對頂板災(zāi)害防治的技術(shù)攻關(guān)和綜合治理的投入明顯不足，頂板災(zāi)害事故死亡人數(shù)及所占比例明顯上升，迫切需要開展煤礦頂板災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究。 礦山頂板災(zāi)害不僅危害程度大，影響面廣，而且也是誘發(fā) 其它事故連鎖發(fā)生的重大事故源。如由于頂板發(fā)生冒落會全部或部分堵塞巷道，造成通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，進而會誘發(fā) 瓦斯及運輸事故 。同樣，由于頂板的失穩(wěn)冒落，破壞了煤巖體的相對應(yīng)力平衡，從而容易誘發(fā)工作面和巷道周圍的頂板動力災(zāi)害。 20xx 年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局組織專家組對全國 462 個煤礦進行會診的結(jié)果認為： “頂板災(zāi)害是當前和今后影響煤礦安全生產(chǎn)和長期效益的重大而普遍的問題之一，是亟待研究攻關(guān)的重大科技難題，而且隨著礦井開采深度的增加頂板災(zāi)害問題越加突出和嚴重 ” 。 近年來，我國加大了對煤礦瓦斯災(zāi)害事故的整治力度，通過加 大投入和組織重大科技攻關(guān)，有效的遏制了重特大瓦斯事故的發(fā)生，使瓦斯事故的發(fā)生次數(shù)和死亡人數(shù)明顯降低。因此，在當前我國礦山安全形勢依然非常嚴峻的情況下，重視頂板災(zāi)害事故的控制，開展頂板災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)的科技攻關(guān)已是當務(wù)之急，是我國煤礦和非煤礦山安全高效開采的迫切要求。 復(fù)雜地質(zhì)條件是礦山頂板災(zāi)害事故的重要根源。即使是采用綜合機械化開采，許多復(fù)雜地質(zhì)條件礦山頂板災(zāi)害仍然很嚴重。在松軟破碎頂板和厚煤層放頂煤條件下，煤壁片幫、端面冒頂，端頭區(qū)頂板和工作面超前維護區(qū)頂板的失穩(wěn)冒落是頂板事故發(fā)生的主要區(qū)域。在厚層堅硬頂 板和覆巖鄰近松散承壓含水層條件下，淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災(zāi)害防治關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究 2 頂板的大面積突然失穩(wěn)垮落不僅產(chǎn)生對支架的動力沖擊，造成大量支架壓死和損壞事故，還會引起礦震、誘發(fā)煤和瓦斯突出、突水等連鎖災(zāi)害事故。上述頂板災(zāi)害事故的發(fā)生，除了在支架合理選型方面缺乏與復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性和針對性外，主要是缺乏對復(fù)雜地質(zhì)條件致災(zāi)的工程地質(zhì)評價和分類的研究，在松軟頂板硬化和堅硬頂板弱化技術(shù)上現(xiàn)有的技術(shù)還不能滿足頂板災(zāi)害防控的要求，缺少有效的監(jiān)測預(yù)警手段。在單體液壓支柱工作面，端面區(qū)、端頭區(qū)和放頂線區(qū)是頂板事故的多發(fā)區(qū)。復(fù)雜地質(zhì)條件增大了單體支柱支護系統(tǒng)的不穩(wěn)定性 ，加大了單體液壓支柱有效控制頂板的難度，受地質(zhì)條件變化的影響和單體支柱護頂能力的局限性，單體液壓支柱工作面的頂板事故是控制的重點和難點之一。目前，還沒有單體液壓支柱工作面工程地質(zhì)評價與頂板危險性分級的研究，缺乏系統(tǒng)完善的頂板穩(wěn)定性控制的動態(tài)設(shè)計及事故隱患診斷、預(yù)警的專家系統(tǒng)，缺乏利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)開發(fā)的簡便、可靠、快速的診斷儀器。 大量巷道冒頂事故都發(fā)生在頂板賦存條件的變化過渡階段，多是由于對掘進頭前方的細微地質(zhì)構(gòu)造和巖層厚度變化、水文條件變化不清楚，沒有及時采取針對性措施造成的。目前我國煤礦煤巷錨桿支護 的應(yīng)用面已達到 60%以上，相對于棚式支護，錨桿支護方案的選擇和調(diào)整對地質(zhì)構(gòu)造和頂板賦存條件的依賴度更高，安全可靠的使用錨桿支護，必須建立在掘進工作面地質(zhì)小構(gòu)造和巖層厚度變化情況的及時預(yù)測預(yù)報以及對頂板的及時防護上。在大斷面巷道、開切眼和巷道交叉點也是冒頂致災(zāi)的危險區(qū)，需要對錨桿（索）支護質(zhì)量和頂板動態(tài)變化能及時監(jiān)測和探測。由于對深部巷道地壓的規(guī)律性認識不夠清楚，深部巷道頂板更大范圍巖體進入破裂區(qū)使頂板的離層垮冒傾向性更大，因而防止頂板的垮冒、保證頂板的安全難度更大，所有這些都需要提高礦壓的監(jiān)測、頂板的及時防 控技術(shù)水平，開發(fā)研究對支護質(zhì)量的檢測、地質(zhì)小構(gòu)造、巖層厚度及結(jié)構(gòu)的探測技術(shù)和儀器，建立錨桿支護質(zhì)量與安全評價體系，開展施工質(zhì)量檢測內(nèi)容、監(jiān)測手段以及動態(tài)連續(xù)監(jiān)測與預(yù)警的研究。 構(gòu)造應(yīng)力場異常礦井和采動應(yīng)力場疊加的高應(yīng)力采區(qū)是頂板災(zāi)害尤其是頂板動力災(zāi)害的多發(fā)區(qū)。目前，在該條件下還缺少在開采設(shè)計階段針對異常應(yīng)力場和高應(yīng)力區(qū)進行的控制，缺乏快捷有效的應(yīng)力場監(jiān)控技術(shù)與裝備，還沒有形成系統(tǒng)完善的采動應(yīng)力場預(yù)測體系，缺少有效的頂板動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及解危技術(shù)與裝備。 上述分析說明，雖然我國在煤炭開采技術(shù)裝備和水平上有了很 大提高，但是由于煤層賦存條件的復(fù)雜性、開采技術(shù)水平的不均衡性以及開采技術(shù)難度的越來越大，我國礦山在頂板災(zāi)害防治的相關(guān)理論研究、隱患探測技術(shù)、頂板災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及裝備、頂板災(zāi)害的及時防控技術(shù)等方面不能滿足和適應(yīng)重大事故防淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災(zāi)害防治關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究 3 范控制的要求，還沒有形成有效的頂板災(zāi)害防治標準和規(guī)范，因此是一項迫切和亟待解決的重大科技問題。 礦區(qū)頂板災(zāi)害狀況 淮北礦業(yè)集團位于安徽省北部，開采石炭二疊系石盒子組及山西組的煤層，所采煤層均為典型的 “三軟 ”煤層。礦區(qū) 14 對生產(chǎn)礦井，年產(chǎn)原煤 20xx 萬噸左右，年進尺 20 萬米以上。多年 來，全礦區(qū)煤層巷道大量采用的是工字鋼梯形支架支護，少量壓力大的煤巷采用 U 型鋼拱型支架支護。巷道變形量大，有時連最起碼的通風(fēng)斷面都無法保證，掘進、回采過程中需進行大量修復(fù)。支護成本高，鋼材投入量大，一般年投入支撐鋼 2 萬噸左右。為改善巷道支護狀況，降低支護成本，保證安全生產(chǎn)，自 1998 年以來，在所屬礦井全面推廣煤巷錨桿支護技術(shù)，取得突破性進展。至 02 年底煤巷錨桿支護累計進尺 30 萬米，未發(fā)生一起冒頂死亡事故。煤巷錨桿支護進尺 97 年占煤巷進尺的 %， 02 年增加到 50%以上 [1]；支撐鋼材年消耗量下降到 1200 噸 。在推廣過程中，也發(fā)生了多起冒頂事故。針對煤層巷道圍巖復(fù)雜多變的狀況，煤巷錨桿支護作為一種新的工藝，如何保證施工安全，結(jié)合近年的生產(chǎn)實踐做一探討。 淮北礦業(yè)集團公司在煤巷推廣錨桿支護的 4 年中，共發(fā)生冒頂事故 10 起，詳見下表： 表 11 淮北礦區(qū)錨桿支護巷道冒頂事故一覽表 事故地點，概況 巷道基本條件 支護形 式 主要原因 1041 風(fēng)巷，距迎頭 20m，冒頂10m 實體巷道 錨梁 交岔點支護強度低，補強不及時 7241 風(fēng)巷，貫通后，冒頂長約8m 實體巷道， 772 煤層間距4~7m 錨帶 鄰近煤層間距變小， 未改進支護參數(shù)或補強 325 風(fēng)巷，距迎頭 100 多 m，冒頂長 4m 沿空巷道 錨梁 后路維修不及時 7410 機巷，迎頭后 3m，冒頂長3m 實體巷道 錨梁 斷面增加大，未改進支護參數(shù) 3618 軌道巷，老巷道，冒頂長約 15m 實體巷道 單體錨桿 老巷道，維修不及時 23110 機巷，回采中，冒頂長 8m 沿空巷道 錨梁 回采期間冒頂，維修不及時 S5210 綜切，施工后路，冒頂長20m 靠近采空區(qū) 錨梁索 巷幫支護強度不夠，補強不及時 3132 風(fēng)巷，掘進貫通后，回采前冒頂長約 50m 實體巷道 錨梁 復(fù)合頂支護 強度低，補強不及時，貫通后未管理 3548 機巷，施工后路，距迎頭 實體巷道， 錨梁 鄰近煤層間距變小，頂部煤層淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災(zāi)害防治關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究 4 150 多 m，冒頂長約 4m 5煤層間距 7m左右 采空區(qū)積水，未提高支護強度 1093 風(fēng)巷，迎頭后 7m，冒頂長約 7m 沿空巷道 錨梁 遇見小斷層，支護參數(shù)未改進 3514 機巷，迎頭后 5m 處，冒頂長約 8m 實體巷道 錨帶索 頂板有一較大裂隙，錨桿、錨索施工質(zhì)量低，已發(fā)現(xiàn)條件變化但未采取措施 通過對這些事故的分析，發(fā)現(xiàn)了冒頂事故的主要特點如下： 1) 冒頂?shù)攸c基本都在巷道成巷部分，冒頂與施工相比具有明顯的 滯后性。施工巷道冒頂距迎頭最短的約 3m，遠的則有數(shù)十米；有的是巷道掘進貫通后甚至回采使用期間發(fā)生冒頂。 2