巖體應力條件對煤礦回采巷道支護變形和荷載的影響

王曉波

（山西同煤集團朔州煤電公司，山西 大同 038300）

支架的變形和所受載荷均與地應力條件、巖層強度參數等采礦條件有關。了解這些參數之間的關系對于有效的回采巷道支護管理是必不可少的。盡管在回采巷道支護設計領域有大量的文獻[1-2]，但缺乏應力條件與回采巷道變化之間相關性的研究。

1 巷道地質及開采條件

回采巷道371222位于當地豎井安全柱附近。該區塊被三個大構造所限制，分別為：西部振幅400 m的斷塊、北部振幅100 m的A斷塊和南部振幅10 m的B斷塊。37a層在該區域沉積，平均深度在地表以下1050 m，方向為西北方向，呈9°～15°。

37a煤層底板為4 m厚的細粒砂巖層，下覆1.2 m厚的37b（524）煤層。37b煤層底板為2 m厚的粉砂巖層，其次為3.1 m厚的中粒砂巖層。

水力測透儀測得頂板、底板和煤層的單軸抗壓強度（UCS）分別為（平均值）：56.19 MPa、55.00 MPa和9.50 MPa。計算結果表明，頂板鉆孔取芯測井的平均RQD值可達85%。這兩個參數（UCS和RQD）表明，靠近371222回采巷道的地層致密，質量良好。

2 測量方法

371222巷道周圍巖體的應力狀態和變形情況以及荷載作用在巷道上的測量工作是在為此專門準備的測量站進行的。測量站的示意圖如圖1所示。

首先，兩個水井在回采巷道屋頂和側壁Φ95 mm直徑和長度：10.0 m，3.0 m（圖1中1和2項）的透度計測試。根據試驗結果確定了所研究的回采巷道周圍巖石的強度。在穿透儀測試完成后，將鉆孔攝像機插入鉆孔中，以評估回采巷道s周圍巖體的裂縫。第一次測量在長壁工作面前方約180 m處進行，隨后的測量在工作面接近時進行。

在井下試驗中，在采場頂板內的測點上使用了兩個長度為2.4 m、直徑為22 mm的儀器化鋼錨桿（圖1中第3項）。儀表式錨桿是一種用于測量錨桿中由于巖體位移而產生的軸向力的裝置。這種類型的錨桿是建立在一個標準鋼錨桿的基礎上，其承載能力為180 kN，應變片張力傳感器已經嵌入。

為了擴大與頂板巖層質量評價相關的地下測量[3]，安裝了三層高度指示器（圖1中第4項）。穩定測量串的錨建在頂板巖石的三個高度上：2.0 m、5.0 m和10.0 m。

接下來測試的參數是SPN支撐載荷的測量。為此，四個液壓測功的測量范圍從0到600 kN被用于測試和安裝兩個相鄰的拱門下SPN集（圖1中第5項）的支持。因此，它是可能的測量產生的反應部隊巖體荷載作用于支持，長壁側壁和對邊。另外，特殊類型的測力計與長筋柔性螺栓一起安裝在側壁上（圖1中項目6和7）。測力計應該指示水平作用的力。

圖1 回采巷道371222測量站

圖1所示中，回采巷道371222測量站方案：10.0 m長鉆孔，用于測透儀和內窺鏡照相機；測透儀和內窺鏡照相機鉆孔長3.0 m；2.4 m儀表錨桿；三位置手動—讀數指示器（10.0 m、5.0 m、2.5 m）；液壓測力計—地板；液壓測功器—側壁；長筋柔性螺栓；水平和垂直收斂測量點；安裝應力測量探頭的鉆孔。

在巷道中也測量了巷道的高度和寬度（收斂）的變化（圖1中項目8）。這些測試的目的是確定接近的長壁工作面對巷道變形大小的影響。根據研究方法[4]測量基準安裝之間的SPN支持設置在屋頂,地板,和側壁（螺栓長度為0.5 m）。這些基準構成參考點測量和期間，因此，監測工作的維度可能總是在同一平面上。使用便攜式激光測距儀測量特定基準（屋頂、側壁、側壁）之間的距離。

同時進行了巖體應力測量。為此，增加了鉆孔和傳感器（圖1中項目9）。應力測量方案涉及兩個方面[5-6]。首先應用緊致錐端鉆孔復取心法確定巖體應力張量；探頭直接粘在鉆孔的圓錐形底部，然后過芯。第二階段的應力測量包括連續測量應力變化的接近長壁。這些測量是通過緊湊的錐形端井眼監測(CCBM)進行的。

3 測量結果

3.1 變形和支撐負載結果

回采巷道371222的測量是在2018年5月至2018年11月期間進行的。結果顯示表和圖表描述：收斂回采巷道和屋頂的地層位移（圖2），負載SPN支持設置和檢測錨桿的軸力分布（圖3）以及巖體應力測量結果（表1和圖4）。

圖2 回采巷道371222

結果表明，長壁掘進工作面的垂向收斂量為144 mm，水平收斂量為33 mm（圖2-1）；在閘口的垂向輻合過程中，底板隆起現象最為明顯。它構成了約總垂直收斂值的85%。總位移值達到20 mm在10 m的頂板巖石（圖2-2）。補充說明，內窺鏡測試結果可以確定適當數量的巖體裂縫。在直接靠近回采巷道的地層中，僅發現了3條裂縫（直接頂距0.8 m）。

利用水力測功器對SPN支護載荷的測量結果進行分析表明，在長壁工作面前方約180 m處，基臺壓力的第一效應是明顯的。從這個距離開始，載荷就會增加。設間距為0.50 m的單個SPN拱(長墻側和側壁之和)最大總荷載為96 kN（圖3-1）。這些值不超過在回采巷道中使用的支撐的允許的最大承重能力。側壁水平安裝的長筋螺栓載荷為45 kN的實測值也可以認為是比較低的。

圖3 支護荷載和測量錨桿荷載

軸向力的最大值超過了制造商規定的180 kN的螺栓允許承載能力，達到220 kN（圖3-2）。錨的大部分登記荷載值構成了拉力。研究表明，位于錨桿沿段的拉張儀測得的變形變化最大，在0.95～1.45 m之間。此外，當長壁工作面位于距離約30 m處時，螺栓軸向力值顯著增加。

3.2 巖體的初始應力狀態與應力變化

應用CCBO探頭測量的初始應力張量評估結果見下頁表1。進行應力監測的1050 m深度的理論垂直應力約為24 MPa。覆巖33a、33b煤層采空區的保護作用影響探頭CCBO2上解釋的最大應力S1（Sigma1）值相對較低（17 MPa）。從CCBO2探頭上的數據計算出的最大應力S1（16 MPa）也可以用類似的方法解釋。在探測器CCBO1的情況下，最大水平S的大小是垂直分量（垂直應力為8.1 MPa）的兩倍。在CCBO2探頭的情況下，它是豎直應力分量大小（9.6 MPa）的1.7倍。

表1 主應力分量的值及其空間方向

應力變化最大分量（Sigma1）與CCBM2探頭測得的長壁工作面距離的關系如圖4所示。該探頭安裝在長壁371202采區以東的頂板巖石上。這是唯一一個可以監測長壁工作面后應力變化的探頭。在距離長壁工作面25 m處應力變化開始增大（圖4），Sigma1的應力分量在長壁工作面后顯著增大，在長壁工作面后40 m處達到最大值（31 MPa）。

圖4 CCBM2和CCBM3探針上Sigma 1最大應力變化的比較

3.3 測量結果比較

圖5為長壁臨近測點時371222采空區測得的垂向收斂、頂板位移、SPN支護荷載和應力變化。測量值的單位被調整，以顯示在公共圖的結果。

圖5 比較了垂直收斂、地層位移、支護荷載和接近長壁引起的應力變化

在長壁工作面到達約30 m距離時，測量參數的動態增長最為明顯（在后續的動態變化對比中，以該長壁位置的測量值作為參考點）。百分比增加參數的前方距離30 m到10 m長壁是如下：96%（垂直收斂—從7.3 cm增加到14.3 cm），400%（屋頂位移—從4 mm增加到20 mm），182%（SPN-support負載—增加從3.4 kN/109.6 kN/10）和105%（最大應力分量-σ1-6.0 MPa提高到12.3 MPa）。

4 結論

各參數之間存在一定的依賴性。應力值在長壁工作面開始前約50 m處開始提前增加。結果表明，應力的加速增加可能是變形和載荷的前兆。確定這類條件可以有效地實施緩解措施，如增加錨桿或安裝鋼支柱。