神州煤業(yè)8#煤層回采巷道圍巖松動(dòng)圈測試及分析

張 武,趙 勇, 郝兵元

(1.山西神州煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 呂梁 033000;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

巷道圍巖控制的主要目的為保障巷道圍巖的穩(wěn)定,在巷道開挖后圍巖的初始應(yīng)力平衡會(huì)受到破壞,此時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布[1],隨著巷道圍巖應(yīng)力的不斷增大,在巷道圍巖周圍會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,當(dāng)圍巖應(yīng)力高于巷道圍巖體自身能承載的最大載荷時(shí),此時(shí)圍巖便會(huì)出現(xiàn)塑性破壞,圍巖在集中應(yīng)力的持續(xù)作用下,塑性破壞區(qū)域的深度會(huì)逐漸發(fā)育,直至圍巖的應(yīng)力重新達(dá)到平衡狀態(tài)。巷道周邊圍巖的破壞深度,即為圍巖松動(dòng)圈[2]。有效的掌握巷道松動(dòng)圈發(fā)育的深度,能夠有根據(jù)性的對巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類,合理的指導(dǎo)錨桿索支護(hù)設(shè)計(jì),本研究采用圍巖松動(dòng)圈測試儀對回采工作面巷道圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行測試,并通過分析計(jì)算所測得的數(shù)據(jù),為巷道圍巖控制提供合理科學(xué)的依據(jù)。

1 工程概況

山西神州煤業(yè)8#煤層位于太原組碎屑巖含煤段頂部,埋深232.53 m～442.10 m。8#煤層均厚1.33 m,屬于薄煤層。8#煤層回采巷道沿煤層底板掘進(jìn),由于煤層較薄,回采巷道的高度為2.6 m,寬度為4.3 m,巷道屬于半煤巖巷,巷幫圍巖局部破碎且復(fù)雜,在現(xiàn)有支護(hù)方案下圍巖變形量大,不能保障巷道圍巖的穩(wěn)定,現(xiàn)為研究8#煤層回采巷道松動(dòng)圈的范圍,在8#煤層回采巷道合理位置處布置鉆孔,對圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測試及分析。

2 松動(dòng)圈測試方法及原理

2.1 測試方法

目前國內(nèi)外測試巷道圍巖松動(dòng)圈的方法有很多,常用的方法為單孔聲波法、雙孔聲波法、位移計(jì)法和地震波法,單孔聲波法與其他測試法相比操作簡單,結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況及圍巖的具體條件,確定本次8#煤層回采巷道松動(dòng)圈測定采用單孔聲波法進(jìn)行測試作業(yè)。

2.2 測試原理

神州煤業(yè)圍巖松動(dòng)圈測試所選用的儀器是CLC1000-C型號超聲波圍巖裂隙探測儀,該儀器通過測量孔中巖體的波速變化來顯示其松動(dòng)變化規(guī)律,進(jìn)而可得到圍巖的松動(dòng)范圍[3-4]。圖1為利用單孔聲波法測試巷道圍巖松動(dòng)圈的原理示意圖,圖中所示F為超聲波發(fā)射器,S1、S2為接收換能器。

圖1 松動(dòng)圈測試原理圖Fig.1 Principle of loose circle test

發(fā)射器發(fā)射出的超聲波可在鉆孔中分散傳播[5],根據(jù)兩個(gè)接收器之間的距離計(jì)算出該段測試范圍的波速,測試示意圖如圖2所示。

圖2 松動(dòng)圈測試示意圖Fig.2 Loose circle test

圖2中所示I1、I2為超聲波接收器,F為超聲波發(fā)射器。波速計(jì)算公式為:

式中:v為該測試段的波速,m/s;l為兩個(gè)接收器之間的距離,14 cm,t為測試時(shí)所記錄的“雙收時(shí)間”,μs。

通過在煤巖體內(nèi)鉆孔并得出聲波縱波速度在該鉆孔中的變化情況,結(jié)合“雙收時(shí)間-孔深”、“波速-孔深”曲線,即可判斷圍巖內(nèi)裂隙的范圍[6]。“雙收時(shí)間”越大、波速越慢,鉆孔所測深度范圍的煤巖體整體性越差,反之則越好。

根據(jù)測試得到的“雙收時(shí)間-孔深”、“波速-孔深”曲線,分析不同深度的“雙收時(shí)間”及波速變化情況,“雙收時(shí)間”明顯減小以及波速明顯增大的位置即為巷道圍巖內(nèi)松動(dòng)圈的范圍[7-8]。

3 松動(dòng)圈測試結(jié)果分析

3.1 測試位置及過程

為了準(zhǔn)確反應(yīng)神州煤業(yè)下組煤巷道的松動(dòng)圈范圍,井下松動(dòng)圈測試地點(diǎn)盡量選擇在巷道成形規(guī)整,巷幫平整且受節(jié)理、裂隙等地質(zhì)因素影響較小的位置,結(jié)合8#煤層的賦存條件及礦井現(xiàn)有生產(chǎn)狀況,確定本次松動(dòng)圈測試在神州煤業(yè)8102和8103綜采工作面運(yùn)輸巷內(nèi)進(jìn)行,進(jìn)行4個(gè)測點(diǎn)巷幫圍巖松動(dòng)圈測試作業(yè)。

8#煤層8102工作面運(yùn)輸巷內(nèi)巷幫2個(gè)測試位置分別位于巷道里程570 m煤柱幫、500 m回采幫；8103工作面運(yùn)輸巷內(nèi)3個(gè)測點(diǎn)分別位于巷道里程680 m煤柱幫、680 m回采幫、560 m位置煤柱幫。

為有效避開煤巖交界面對測試結(jié)果的影響,確定8#煤層巷幫松動(dòng)圈測試孔距巷道底板高度1.5 m,測試鉆孔處于巷幫泥巖內(nèi),測試深度為2.0 m,傾斜向下2°～3°,孔徑為Φ42 mm。松動(dòng)圈測點(diǎn)位置布置如圖3所示。

圖3 回采工作面巷道松動(dòng)圈測試位置示意圖Fig.3 Testing location of loose circle in mining roadway

測試時(shí),將探測棒與推桿連接并將封孔器套在推桿上,首先向打設(shè)好的測試孔內(nèi)注滿水,然后將組裝好的儀器放入鉆孔中并用封孔器封好,每次從孔內(nèi)向外移動(dòng)10 cm,并記錄2～3次記錄儀上顯示的“雙收時(shí)間”(探測棒上兩個(gè)接收器接收到超聲波的時(shí)間差即為“雙收時(shí)間”),直至測試到孔口結(jié)束測量,在測試過程中要始終保持孔中充滿水。

3.2 測試結(jié)果分析

根據(jù)上述各測點(diǎn)的松動(dòng)圈測試結(jié)果繪制的“波速、雙收時(shí)間-測試深度”曲線如圖4所示。

4-a 8102工作面運(yùn)輸巷道570 m位置煤柱幫

4-b 8102工作面運(yùn)輸巷道500 m位置煤柱幫

4-d 8103工作面運(yùn)輸巷道680 m位置回采幫

4-e 8103工作面運(yùn)輸巷道560 m位置煤柱幫圖4 巷幫松動(dòng)圈波速、雙收時(shí)間曲線Fig.4 Wave velocity and double-reception time curves of loose circle

分析8102工作面運(yùn)輸順槽570 m位置煤柱幫松動(dòng)圈測試孔的“波速、雙收時(shí)間—測試深度”曲線圖可得,在距孔口0.5 m～1.1 m范圍內(nèi)波速低于249.5 m/s,分析原因是由于在該范圍內(nèi)巷幫圍巖的裂隙較發(fā)育。距孔口1.1 m位置開始,測試得到的波速逐漸上升,到距孔口1.4 m時(shí)波速增大到519.5 m/s,且在1.4 m后波速基本保持穩(wěn)定,僅在小范圍內(nèi)小幅度波動(dòng),說明在該范圍內(nèi)巷幫圍巖的裂隙較少,且發(fā)育程度相近。綜合分析該位置巷幫測試孔內(nèi)的雙收時(shí)間、波速與測試深度曲線的趨勢,判斷8102工作面運(yùn)輸順槽570 m位置煤柱幫松動(dòng)圈范圍為1.1 m～1.4 m。

運(yùn)用同樣的分析方法,得出8102工作面運(yùn)輸順槽500 m位置煤柱幫8#煤層巷道的松動(dòng)圈范圍為1.3 m～1.6 m;8103工作面運(yùn)輸順槽680 m位置煤柱幫松動(dòng)圈范圍為1.1 m～1.5 m;8103工作面運(yùn)輸順槽680 m位置回采幫松動(dòng)圈范圍為1.2 m～1.3 m;8103工作面運(yùn)輸順槽560 m位置煤柱幫松動(dòng)圈范圍為1.2 m～1.6 m。

根據(jù)測試數(shù)據(jù),綜合判斷神州煤業(yè)下組煤8#煤層巷道的巷幫圍巖松動(dòng)圈范圍在1.1 m～1.6 m,屬于Ⅲ類中等松動(dòng)圈一般圍巖或Ⅳ類大松動(dòng)圈一般不穩(wěn)定圍巖。

分析神州煤業(yè)8#煤層巷道巷幫圍巖松動(dòng)圈范圍較大的原因：一方面是由于8#煤層內(nèi)部本身發(fā)育有較多水平及豎直裂隙;另一方面是由于巷幫松動(dòng)圈測試鉆孔位置位于8#煤與底板泥巖分層附近,而煤巖層交界附近圍巖的整體穩(wěn)定性及物理力學(xué)性能均較差,造成測試孔附近的裂隙比較發(fā)育,松動(dòng)圈范圍較大。

3.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化建議

8102工作面及8103工作面運(yùn)輸巷原有支護(hù)均采用錨網(wǎng)索支護(hù),錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,頂板錨桿間排距1 000 mm×900 mm,兩幫錨桿間排距為900 mm×900 mm,錨桿預(yù)緊扭矩為200 N·m,頂板錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,每排布置2根,間排距為1 800 mm×2 000 mm,預(yù)緊力為200 kN,原有支護(hù)參數(shù)如圖5所示。

圖5 運(yùn)輸巷原有支護(hù)斷面圖Fig.5 Cross-section diagram of original support in transportation roadway

根據(jù)巷道松動(dòng)圈的測試結(jié)果可知,兩幫圍巖屬于Ⅲ類中等松動(dòng)圈一般圍巖或Ⅳ類大松動(dòng)圈,兩幫松動(dòng)圈較大,現(xiàn)依據(jù)原有支護(hù)方案提出以下建議:

1)兩幫松動(dòng)圈發(fā)育范圍較大,現(xiàn)有兩幫錨桿預(yù)緊扭矩為200 N·m,相對偏小,應(yīng)提升錨桿的預(yù)緊扭矩為300 N·m。

2)為對巷道兩幫淺部松動(dòng)圈范圍內(nèi)的圍巖施加有效的表面約束力,提升錨桿的整體性,在兩幫表面安裝Φ14的Q235圓鋼焊接的鋼筋梯子梁作為錨桿托梁,以均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用,保障預(yù)應(yīng)力在兩幫巖體中的擴(kuò)散,增強(qiáng)錨桿對松動(dòng)圈范圍內(nèi)巖體的控制效果。

4 結(jié)論

1)巷道松動(dòng)圈大小會(huì)受到測試位置、測試過程的規(guī)范操作及節(jié)理裂隙等眾多因素的影響,在測點(diǎn)選擇時(shí),應(yīng)盡可能的避開節(jié)理、裂隙等地質(zhì)因素影響。

2)根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),綜合判斷神州煤業(yè)下組煤8#煤層回采巷道的巷幫圍巖松動(dòng)圈范圍在1.1 m～1.6 m范圍屬于Ⅲ類中等松動(dòng)圈一般圍巖或Ⅳ類大松動(dòng)圈一般不穩(wěn)定圍巖。

3)根據(jù)巷幫松動(dòng)圈測試結(jié)果,提出升高錨桿的預(yù)緊扭矩為300 N·m、在巷道兩幫安裝Φ14的Q235圓鋼焊接的鋼筋梯子梁作為錨桿托梁,以此保障松動(dòng)圈范圍內(nèi)破碎煤巖體的穩(wěn)定。