大傾角煤層巷道圍巖破裂結(jié)構(gòu)特征探測(cè)

侯新春

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電公司，山西 呂梁 033000)

巷道圍巖穩(wěn)定性主要取決于圍巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)和圍巖支護(hù)，有效地進(jìn)行巷道圍巖控制的一個(gè)重要前提是對(duì)巷道圍巖工程地質(zhì)條件的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)以及圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的定量認(rèn)識(shí)［1－2］。目前，煤礦巷道支護(hù)難的主要原因是對(duì)巷道工程地質(zhì)條件和圍巖結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不清，支護(hù)對(duì)象不明確。為科學(xué)有效地進(jìn)行大傾角煤層巷道的支護(hù)和維護(hù)，本文以山西呂梁龐龐塔煤礦10#煤工作面回采巷道為試驗(yàn)研究對(duì)象，采用鉆孔窺視儀對(duì)大傾角煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行全斷面探測(cè)，實(shí)現(xiàn)大傾角煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)與破裂范圍的精確空間定位，從而為進(jìn)行大傾角煤層巷道支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)的選擇提供了直觀可靠的工程地質(zhì)依據(jù)。

1 測(cè)試巷道基本工程地質(zhì)概況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作于2010年3月15日開(kāi)始，至3月18日結(jié)束。測(cè)試巷道選擇為山西呂梁龐龐塔煤礦10#煤10－101工作面回采巷道，10－101工作面地面標(biāo)高1 170～1 266 m，工作面標(biāo)高905～995 m，平均埋深268 m。工作面地面位于工業(yè)廣場(chǎng)南部，楊家?guī)X以北，屬于高山丘林區(qū)，地表為侵蝕黃土為主，其次為黃土溝谷地貌中的沖溝，蓋山厚度265～271 m。工作面井下位于10#煤一采區(qū)三條上山左翼，東部是10－103工作面，西部為10－101泄水巷，南部為工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱，頂部為原5#煤采空區(qū)，層間距約為60 m。10－101工作面所采10#煤層節(jié)理發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中部夾3層碳質(zhì)泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。10－101工作面的煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層情況表

2 巷道圍巖監(jiān)測(cè)斷面布置

2．1 監(jiān)測(cè)儀器與工作原理

對(duì)于煤礦井下巷道，除對(duì)巷道揭露的巖體可以通過(guò)肉眼直接進(jìn)行描述外，在沒(méi)有揭露的巖體中，要了解巖體結(jié)構(gòu)，就必須采用其它方法。其主要觀測(cè)方法包括超聲波法、地質(zhì)雷達(dá)、地震層析成像技術(shù)、地震技術(shù)、孔壁印模法、巖芯采取法等。本次試驗(yàn)主要采用鉆孔窺視儀進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，鉆孔窺視儀器采用武漢長(zhǎng)盛公司的JL－IDOI2007智能鉆孔電視成像儀。

鉆孔窺視儀的基本工作原理是利用CCD攝像頭把光線轉(zhuǎn)變成電子訊號(hào)，通過(guò)電纜將訊號(hào)輸送到圖像接收儀上，觀察、記錄、存儲(chǔ)鉆孔結(jié)構(gòu)圖像，并可與計(jì)算機(jī)連接，分析和處理圖像，能直觀、清晰地反映巷道圍巖的結(jié)構(gòu)情況，見(jiàn)圖1。

圖1 智能鉆孔窺視儀原理圖

該鉆孔窺視儀適用于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)找礦、巖土工程、礦山等部門(mén);適用于垂直孔、水平孔和傾斜孔(俯角、仰角)，錨索(桿)孔、地質(zhì)鉆孔和混凝土鉆孔等各類鉆孔，可形成數(shù)字化鉆孔巖芯，永久保存，特別適合于無(wú)法取得實(shí)際巖芯的破碎帶地層。此儀器的攜帶及拆裝都很方便，一個(gè)2人小組在1 h之內(nèi)可完成3～4個(gè)鉆孔的觀測(cè)。通過(guò)井下實(shí)際應(yīng)用，證明該電子鉆孔窺視儀是比較適合巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察的儀器。

2．2 監(jiān)測(cè)斷面布置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)龐龐塔煤礦大傾角煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行全斷面精確探測(cè)，選擇了10－101工作面回采巷道作為測(cè)試段，在測(cè)試巷道段共計(jì)布置了3組監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖2，每組監(jiān)測(cè)斷面的鉆孔布置見(jiàn)圖3，各斷面的每個(gè)鉆孔分別按左幫、右?guī)汀⒆箜敗⒂翼數(shù)姆绞竭M(jìn)行命名。

圖2 巷道圍巖監(jiān)測(cè)斷面布置圖

在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的頂板分別布置2個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為d28 mm，鉆孔深度為8．0 m，用于監(jiān)測(cè)巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)及巖體裂隙發(fā)展情況;在左右兩幫各布置1個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為d28 mm，鉆孔深度為3．0 m，用于監(jiān)測(cè)巷道兩幫煤體的裂隙發(fā)展及破壞情況，見(jiàn)圖3。鉆孔鉆出以后，須對(duì)鉆孔用水沖洗2～3 min，以防止鉆孔內(nèi)的粉塵影響儀器成像的清晰度。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面鉆孔布置圖

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

巷道圍巖監(jiān)測(cè)斷面布置完成以后，利用JLIDOI2007智能鉆孔電視成像儀對(duì)這12個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。由于圖形較多，在此僅給出斷面Ⅰ鉆孔窺視圖像，見(jiàn)圖4。

圖4 斷面Ⅰ鉆孔窺視圖像

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3組斷面窺視獲得的鉆孔圖像，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)地分析與整理，得出了巷道頂板和兩幫圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征，見(jiàn)表2，表3，表4。

表2 斷面Ⅰ圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征

表3 斷面Ⅱ圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征

表4 斷面Ⅲ圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征

根據(jù)表2、表3和表4對(duì)大傾角煤層巷道不同位置處的圍巖結(jié)構(gòu)特征的分析與總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

1)工作面頂板巖性差異變化很大，頂板巖層并不是如礦區(qū)所提供的地質(zhì)資料(表1)那樣一成不變，這就要求在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而提出更加符合實(shí)際的動(dòng)態(tài)的巷道支護(hù)形式與參數(shù)，而不能對(duì)同一條巷道全部采用同樣的支護(hù)方案。

2)巷道圍巖的破裂范圍隨著巷道表面暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加，在巷道掘進(jìn)頭(巷道剛剛暴露)，頂板煤層的破壞范圍僅僅為0．6 m;在距離掘進(jìn)頭80 m處(巷道暴露約1個(gè)星期左右)，頂板煤層在巷道表面以及巖層分界面處產(chǎn)生破壞，在表面淺部的破壞范圍為0．8 m，在巖層分界面處的破壞范圍為0．6 m;在距離掘進(jìn)頭160 m處(巷道暴露約2個(gè)星期左右)，頂板煤層已經(jīng)完全破碎。

3)巷道頂板巖層(除頂煤外)的破壞方式大都為沿著水平裂隙或者弱面方向開(kāi)裂，這說(shuō)明巷道頂板巖層的本身強(qiáng)度(彈性模量、抗壓強(qiáng)度等)很高，但是巖層內(nèi)部的節(jié)理和弱面的強(qiáng)度卻很低，是容易發(fā)生破壞的地方，在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮巖層破壞這個(gè)重要特征。

4)由于煤層傾角較大，巷道兩幫變形破壞表現(xiàn)出非對(duì)稱的特征，且非對(duì)稱特征與煤層的傾斜方向有關(guān)，在煤層傾斜方向的上側(cè)面(即巷道左幫)煤體的變形破壞要比煤層傾斜方向的下側(cè)面(即巷道右?guī)?煤體嚴(yán)重，這與已有的研究成果是一致的［3－5］。

［1］ 陳炎光，陸士良．中國(guó)煤礦巷道圍巖控制［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社．1994：61－64．

［2］ 董方庭．巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)［M］．煤炭工業(yè)出版社，2001：35－40．

［3］ 孫曉明，張國(guó)鋒，蔡 峰，等．深部?jī)A斜巖層巷道非對(duì)稱變形機(jī)制及控制對(duì)策［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(6)：1137－1143．

［4］ 華道友，平壽康．大傾角煤層礦壓顯現(xiàn)立體相似模擬［J］．礦山壓力與頂板管理，1999，3(4)：100．

［5］ 曹樹(shù)剛，熊文述，黎 洪，等．大傾角巷道受力變形有限元法分析［J］．礦山壓力與頂板管理，1999，3(4)：101－103．