基于頂板探測研究的巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

陳 飛

試驗(yàn)礦井系神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)梅花井煤礦，為年產(chǎn)12 Mt的大型現(xiàn)代化礦井，煤田地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層產(chǎn)狀傾斜，傾角為11°～24°。主要含煤地層為中、下侏羅統(tǒng)延安組，共含17個(gè)可采煤層，主采2#煤、4#煤、6#煤、10#煤、12#煤和18#煤。6#煤層埋藏深度平均 280 m，最大363.5 m，開采厚度平均3.5 m。目前，該煤礦正在回采的116101綜采工作面運(yùn)輸巷，高×寬為3.8 m ×5.4 m;回風(fēng)巷，高 ×寬為4.0 m ×5.2 m，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。

1 頂板探測

1.1 頂板探測儀及測試原理

從地質(zhì)角度而言，井下開采煤層頂板質(zhì)量取決于頂板巖石成分、結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造以及沉積后早期差異壓實(shí)和后期構(gòu)造作用等，煤層頂板巖體由于沉積環(huán)境的演化，巖性巖相在橫向和縱向上變化很大。為直觀準(zhǔn)確地描述試驗(yàn)煤層頂板賦存特征，本試驗(yàn)采用頂板TYGD10型巖層鉆孔探測儀，分析頂煤變化、頂板巖層巖性、巖層組合特征及頂板巖層裂隙分布情況，并為頂板穩(wěn)定性分類提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1)頂板探測儀結(jié)構(gòu)。TYGD10型巖層鉆孔探測儀主要部件有：主機(jī)(1個(gè))、探頭(1個(gè))、數(shù)據(jù)線(20 m)、探桿(1 m×15根)、電源(1個(gè))。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 TYGD10型巖層鉆孔探測儀技術(shù)參數(shù)表

2)頂板探測原理。TYGD10型巖層鉆孔探測儀是通過CCD(電荷耦合器件Charge Coupled Device)將巖層鉆孔內(nèi)實(shí)測圖像，由電纜線傳輸?shù)斤@示器顯示出來，并可用記憶卡將圖像存貯起來。通過計(jì)算機(jī)對實(shí)測圖像的對比，可描述出巷道圍巖離層、錯(cuò)位、破裂變化情況。同時(shí)，探頭伸及的地方有相應(yīng)的標(biāo)尺刻度，這樣就可確定圖像在鉆孔中的具體位置。

1.2 頂板探測試驗(yàn)方案及工序

1)試驗(yàn)地點(diǎn)。為了解試驗(yàn)礦井回采巷道頂板巖性、圍巖裂隙及受采動(dòng)影響頂板的變化情況，包括頂板巖層節(jié)理裂隙、破碎帶及各分層厚度等。根據(jù)試驗(yàn)巷道的選擇依據(jù)以及礦方的實(shí)際需求，在116101綜采工作面運(yùn)輸巷內(nèi)進(jìn)行頂板鉆孔窺視。測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 116101工作面運(yùn)輸巷頂板探測點(diǎn)布置圖

2)試驗(yàn)工序。a)在實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)定點(diǎn)，兩孔之間相隔100 m。頂孔規(guī)格：孔深8 m，直徑32 mm，要求對沖洗孔內(nèi)巖屑，防止巖屑阻擋觀測視線，影響窺視效果，對孔位置進(jìn)行標(biāo)記。b)打完孔后待孔內(nèi)積水淋干，將探頭伸入被測鉆孔內(nèi)部，對照液晶顯示器上的圖像，慢慢向內(nèi)移動(dòng)探頭，做好影像的存儲(chǔ)工作。c)根據(jù)實(shí)測鉆孔錄像，同時(shí)參照礦區(qū)實(shí)測鉆孔資料，繪制頂板鉆孔柱狀圖及頂板巖層對比剖面圖，進(jìn)行理論分析。

1.3 探測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1)探測結(jié)果。在116101工作面運(yùn)輸巷內(nèi)設(shè)14個(gè)測點(diǎn)，對各測點(diǎn)鉆孔柱狀圖進(jìn)行匯總。從14個(gè)測點(diǎn)的柱狀圖中選取部分比較有代表性的柱狀圖及頂板巖層對比剖面圖見圖2，巖層探測視頻截圖見圖3。

2)探測結(jié)果分析。a)頂煤情況：留很少頂煤或不留頂煤。b)頂板巖性：主要以砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，其力學(xué)參數(shù)較高，但是遇水容易水解，遇風(fēng)容易風(fēng)化，從而造成巖體巖石力學(xué)強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致巷道容易出現(xiàn)冒頂或底臌現(xiàn)象;層理較為發(fā)育，粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖、細(xì)砂巖互層較多，分層厚度小，影響頂板穩(wěn)定性。c)節(jié)理裂隙情況：在頂板較淺部有相對比較連續(xù)的小裂隙帶，深部裂隙較少，但最大破碎厚度超過5 cm，離層現(xiàn)象嚴(yán)重;隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)影響成為頂板巖層破壞的重要因素，裂隙可能會(huì)更加發(fā)育，深部節(jié)理裂隙也可能出現(xiàn)。

2 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

由頂板探測結(jié)果可知，116101工作面運(yùn)輸巷頂板巖層變化較簡單，穩(wěn)定性相對較好，但由于粉砂巖、砂質(zhì)泥巖本身巖性的特點(diǎn)，巷道頂板應(yīng)采用錨網(wǎng)索+鋼帶聯(lián)合支護(hù)方式。具體支護(hù)參數(shù)如下：錨桿選用左旋無縱肋金屬螺紋鋼樹脂錨桿，頂部錨桿規(guī)格為d20 mm×2 500 mm，幫部錨桿規(guī)格為d20 mm×2 200 mm，頂、幫部錨桿均使用2節(jié)樹脂藥卷;錨桿間、排距800 mm×800 mm，“矩形”布置，每根錨桿充填Z2370的樹脂藥卷2節(jié)，全長錨固;拱部及幫部錨桿配套的鐵托板規(guī)格120 mm×120 mm×10 mm;幫部錨桿外加木托板，規(guī)格為400 mm×200 mm×50 mm，安裝時(shí)，幫部鐵托板安裝在木托板上面，木托板短邊垂直于巷道底板。拱部掛鋼筋網(wǎng)，幫部掛塑料網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)由d6.5 mm鋼筋加工而成，規(guī)格為8 700 mm×800 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為150 mm×150 mm，幫部塑料網(wǎng)，塑料網(wǎng)規(guī)格為10 000 mm×1 200 mm，要求金屬網(wǎng)長邊對接，金屬網(wǎng)短邊與塑料網(wǎng)搭接100 mm，使用14#鉛絲扣扣相連;鋼帶選用d16 mm圓鋼焊接，規(guī)格為7 280 mm×80 mm。采用錨索桁架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索桁架有兩套錨索及2.4 m的14#熱軋輕型槽鋼梁組合形成，錨索規(guī)格為d17.8 mm×5 500 mm，沿巷道方向3列布設(shè)，錨索間、排距2 200 mm×2 000 mm，每根錨索填充Z2370的樹脂藥卷3節(jié)及1個(gè)鋼托板錨固。噴射砂漿厚度為50 mm，砂漿強(qiáng)度為M7.5。

3 巷道礦壓顯現(xiàn)活動(dòng)規(guī)律

采用對試驗(yàn)巷道頂?shù)装寮皟蓭捅砻嫖恢靡平窟M(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計(jì)的方法，對所設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。巷道表面位移指在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭烷g的相對位置移近量，它是圍巖與支護(hù)相互作用的結(jié)果，也是評(píng)價(jià)巷道支護(hù)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。測量巷道表面位移的目的是要了解巷道表面位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而得出巷道圍巖活動(dòng)與支護(hù)參數(shù)之間的關(guān)系，為巷道合理的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

在巷道掘進(jìn)穩(wěn)定階段，對試驗(yàn)礦井116101工作面運(yùn)輸巷內(nèi)從距離巷道口2 000 m開始，在頂板探測試驗(yàn)地點(diǎn)附近，每100 m布置1個(gè)測站，共布置10個(gè)測站，每個(gè)測站包括頂?shù)装寮皟蓭捅砻嫖灰苾山M測點(diǎn)。用十字交叉法測量巷道頂?shù)装寮皟蓭偷南鄬σ平俊y量時(shí)將兩幫線繩拉緊，頂部線繩自然垂直懸空。利用鋼卷尺量取頂?shù)装寮皟蓭鸵平俊?/p>

觀測初期應(yīng)每天觀測一次，并及時(shí)處理數(shù)據(jù)，在變形逐步趨于穩(wěn)定時(shí)可逐漸加大觀測周期。共觀測1個(gè)月，共30組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)匯總見表2。

表2 各測站頂?shù)装寮皟蓭鸵平拷y(tǒng)計(jì)表 /mm

由表2數(shù)據(jù)可以看出，頂?shù)装遄畲笠平堪l(fā)生在第9測站處為62 mm，最小移近量發(fā)生在第1測站處為32 mm，平均位移量為42～51 mm，變化范圍較小。兩幫最大移近量發(fā)生在第9測站處為49 mm，最小移近量發(fā)生在第2測站處為31 mm，平均位移量為37～43 mm。同時(shí)，還可以看出，從巷道口往工作面方向，頂?shù)装寮皟蓭鸵平坑衅筅厔荩@是由于受工作面采動(dòng)影響，圍巖活動(dòng)加劇。

4 結(jié)論

1)116101工作面運(yùn)輸巷頂板巖層主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等，力學(xué)參數(shù)較高，頂板較穩(wěn)定，但容易風(fēng)化和水解，故在巷道掘進(jìn)后期，頂板穩(wěn)定性會(huì)有所下降，維護(hù)成本較高。

2)現(xiàn)有巷道支護(hù)參數(shù)適應(yīng)頂板及兩幫圍巖的礦壓活動(dòng)規(guī)律，在保證安全的前提下，支護(hù)效果良好，支護(hù)成本符合礦井生產(chǎn)實(shí)際情況。

3)該運(yùn)輸巷道受工作面采動(dòng)影響較明顯，在巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后期及工作面回采階段，應(yīng)做好巷道支護(hù)設(shè)施的檢查維護(hù)工作，防止因?yàn)橄锏懒芩L(fēng)化導(dǎo)致頂板巖層強(qiáng)度降低、支護(hù)設(shè)施老化破損等安全隱患的發(fā)生。局部應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，以抵抗工作面靠近所帶來的應(yīng)力集中等影響。

［1］ 陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994：133－142.

［2］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：50－52.

［3］ 申金生，郭院成.地下巷道圍巖變形規(guī)律的實(shí)測研究［J］.建筑科學(xué)，2011(3)：22－23.