地應(yīng)力測試與采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)

田學(xué)春

（棗莊市金莊生建煤礦，山東 滕州 277522）

隨著煤礦開采的深度和強(qiáng)度不斷增大，掘進(jìn)巷道所處的圍巖條件日趨復(fù)雜。大量的礦井生產(chǎn)實(shí)踐表明，生產(chǎn)過程中遇到的重大技術(shù)研究問題如巷道圍巖失穩(wěn)破壞、沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)警及治理、上覆巖層變形破壞等都與地應(yīng)力緊密相關(guān)，礦井地應(yīng)力場的研究受到普遍關(guān)注，生產(chǎn)實(shí)踐中對地應(yīng)力及圍巖力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)的需要已越來越迫切。

1 工程概況

3北采區(qū)主采3下煤層，平均厚度約2.6 m，煤層賦存標(biāo)高-500～ -630 m。煤層傾角5°～15°，平均8°左右。煤層直接頂為平均7.5 m厚的砂質(zhì)泥巖層，老頂為砂巖層，直接底板為泥巖，如圖1所示。本采區(qū)分西翼和北翼開采，按照0°方位角先掘進(jìn)3北北翼01軌道巷，巷道凈高×凈寬=2700 mm×4000 mm，綜掘，半煤巖巷Φ18 mm×2000 mm錨桿配合菱形網(wǎng)支護(hù)。掘進(jìn)一個月內(nèi)圍巖移近量200～600 mm不等，頂板和肩窩下垂形成網(wǎng)兜，巷道被破壞較為嚴(yán)重。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

2 巷道破壞原因分析

（1）圍巖巖性較差。煤層直接頂砂質(zhì)泥巖厚度7.5 m，底板為泥巖，巖性強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)膠程度差，多為松散狀態(tài)，圍巖的自承力較差。

（2）支護(hù)方式有設(shè)計(jì)缺陷。采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行圍巖松動圈的探測，結(jié)果如圖所示2。頂板破壞深度3.5 m，兩幫破壞深度2.5 m，底板破壞深度1.2 m。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測的松動圈結(jié)果

（3）巷道支護(hù)構(gòu)件損壞嚴(yán)重，導(dǎo)致菱形網(wǎng)撕裂，錨桿隨巷道變形而移動。失去控制的圍巖和被損壞的支護(hù)構(gòu)件相互作用，進(jìn)一步造成巷道變形破壞或出現(xiàn)冒頂。

（4）錨桿安裝處于圍巖松動圈內(nèi)或者臨界狀態(tài)。頂板錨索安裝在砂泥巖中，支護(hù)沒有穩(wěn)固的生根基礎(chǔ)，做地應(yīng)力測試看巷道是否處于高應(yīng)力狀態(tài)。

3 地應(yīng)力測試

3.1 施工鉆孔與應(yīng)力計(jì)安裝

在3北北翼01軌道巷后路取整體巖性較好區(qū)域，每間隔30 m設(shè)一個測點(diǎn)，共布置3個測點(diǎn)，對每個測點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力測試。巷道凈寬2A=4 m，設(shè)計(jì)鉆孔深度L=10 m，鉆孔施工完成，如圖3。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)鉆孔布置

3.2 空芯包體應(yīng)力計(jì)安裝

當(dāng)測試孔施工完成并沖洗干凈后需要再次對小孔進(jìn)行清洗干燥工作，完成干燥工作后進(jìn)行應(yīng)力計(jì)安裝，如圖4。

圖4 鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝

3.3 應(yīng)力解除

通過應(yīng)力解除，得出最大主應(yīng)力水平應(yīng)力均值為13.43 MPa，方向角為N47.73°E～N71.64°E；最小水平主應(yīng)力均值為5.77 MPa，方向角N218.07° E～N231.90° E；最大垂直應(yīng)力均值11.83 MPa，方向角為N132.65°E～N152.54°E。

根據(jù)巖石等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，垂直應(yīng)力與最小水平應(yīng)力相差較大，最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力相差也較大，造成巖體內(nèi)剪應(yīng)力較大，不利于巷道圍巖控制，需要對巷道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì)

4.1 水平主應(yīng)力對巷道的影響

巷道布置必須考慮地應(yīng)力場中水平地應(yīng)力的方向，即巷道的軸向應(yīng)力應(yīng)盡量與主應(yīng)力方向相同。巷道布置方向與破壞情況和應(yīng)力場分布關(guān)系如圖5，得出結(jié)論為平行主應(yīng)力巷道最穩(wěn)定。

圖5 水平應(yīng)力方向和巷道變形

4.2 采區(qū)工作面走向方位角調(diào)整

地應(yīng)力測試結(jié)果表明，巷道最大水平地應(yīng)力方向角為N47.73°E～N71.64°E，根據(jù)巷道平行于水平主應(yīng)力最穩(wěn)定這一原則，并結(jié)合該區(qū)域斷層走向分布，將3北采區(qū)北翼和西翼未掘工作面順槽方位角由0°調(diào)整為56°，回采巷道近乎平行于最大水平主應(yīng)力。采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 調(diào)整回采工作面方位角后采區(qū)布置

4.3 支護(hù)對策與掘進(jìn)斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）加強(qiáng)頂板整體性。巷道頂板施工高預(yù)應(yīng)力錨索，設(shè)計(jì)錨索Φ21.6 mm×6300 mm，間排距1200 mm×2000 mm。錨索支護(hù)對于破碎頂板效果顯著，巷道由二向強(qiáng)支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿蚋邍鷫籂顟B(tài)。

（2）提高兩幫圍巖強(qiáng)度。圍巖破碎形成網(wǎng)兜，注漿可以實(shí)現(xiàn)錨注耦合加固，提高圍巖強(qiáng)度防止變形，抑制頂板固定約束的偏移，減少底鼓。

（3）支護(hù)體系剛?cè)峤Y(jié)合。巷道有高應(yīng)力大變形特點(diǎn)，所以支護(hù)初期以錨網(wǎng)帶柔性支護(hù)為主，在巷道的一次支護(hù)自穩(wěn)性達(dá)到極限之前，頂板施工以剛性支護(hù)為主的錨索，幫部施工中空注漿錨桿注漿。

一次柔性支護(hù)。采用左旋螺紋鋼錨桿Φ22 mm×3000 mm配合Φ6 mm×128 mm×128 mm鋼筋網(wǎng)和W型鋼帶支護(hù)，錨桿間排距800 mm×800 mm。

二次剛性支護(hù)。頂板施工Φ17.8 mm×8300 mm錨索，間排距1200 mm×1600 mm，錨入頂板穩(wěn)定巖層。幫部中空注漿錨桿Φ25 mm×3800 mm，采用425號普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比0.7:1，最大注漿壓力2.5～3.5 MPa。

二次支護(hù)的時機(jī)選擇。進(jìn)行巷道圍巖觀測，等巷道基本穩(wěn)定后，適當(dāng)時間內(nèi)進(jìn)行二次支護(hù)，以至于圍巖不會喪失自身的承載力。二次支護(hù)最佳時機(jī)是在一次支護(hù)巷道圍巖變形穩(wěn)定收斂后進(jìn)行，一般在開掘數(shù)天后圍巖變形速度小于0.05 mm/d，變形時間曲線出現(xiàn)穩(wěn)定平緩拐點(diǎn)之后進(jìn)行，如圖7。

圖7 工作面順槽掘進(jìn)巷道支護(hù)斷面

5 效果檢驗(yàn)

（1）根據(jù)3北翼01軌道巷掘進(jìn)初期調(diào)整設(shè)計(jì)前設(shè)置的圍巖移近量觀測點(diǎn)原始記錄，每隔40 m設(shè)置1個觀測點(diǎn)，3個觀測點(diǎn)觀測結(jié)果表明，平均頂?shù)滓平繛?96 mm。

（2）將3北北翼01軌道巷掘進(jìn)方位角由0°調(diào)整為56°后，沿途隔60 m設(shè)置1個觀測點(diǎn)，共3個觀測結(jié)果數(shù)值較小，平均頂?shù)滓平?63 mm。

經(jīng)過優(yōu)化掘進(jìn)支護(hù)斷面和調(diào)整掘進(jìn)方位角后，巷道圍巖移近量明顯減少。現(xiàn)場勘查，巷道破壞程度顯著降低，如表1所示，收到良好效果。

表1 調(diào)整設(shè)計(jì)前后頂?shù)滓平坑^測對比表

6 結(jié)語

若采區(qū)巷道按照不利的方位角掘進(jìn)，在地應(yīng)力的作用下，可能導(dǎo)致巷道遭受較為嚴(yán)重的破壞。即使采區(qū)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，也要努力優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，調(diào)整掘進(jìn)方位角，使之更符合要求。

巷道優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案時，要充分考慮一次柔性支護(hù)和二次剛性支護(hù)的有效銜接，做到“兩次支護(hù)，剛?cè)嵯酀?jì)”，以期達(dá)到“安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理”之目的。