小莊煤礦巷道圍巖松動圈裂隙結構特征分析

付航航，李 可，徐傳玉，張 文，王 旭，孔祥國

(1.陜西彬長礦業有限公司，陜西 咸陽 713500；2.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤是我國占比最大的消費性能源，其龐大的需求量致使煤礦企業不斷擴大生產規模，礦井開采向深部延伸，煤炭深部開采成為了一種趨勢。在這種趨勢下，深部礦井巷道礦壓沖擊、圍巖變形和破壞等情況嚴重，煤與瓦斯突出等動力災害頻發，極大影響了礦井的安全生產[1-4]。

瓦斯抽采是礦井防治煤與瓦斯突出的一種重要措施[5]，而使瓦斯抽采鉆孔封孔深度超過巷道松動圈的范圍是提高瓦斯抽采效果的關鍵。因此，開展對巷道松動圈的研究可以為瓦斯抽采鉆孔封孔深度提供科學依據，有利于瓦斯抽采效率的提高。

眾多學者對巷道松動圈進行了大量研究。董方庭等[6]采用物理相似模擬、現場觀測等方法，對松動圈進行了系統性研究，形成了巷道圍巖松動圈支護理論，該理論得到了廣泛推廣應用，解決了大量巷道支護問題；靖洪文等[7]首次將全景數字鉆孔攝像系統應用于巷道松動圈的研究，并提出了由圓形度指標判斷巷道松動圈厚度的方法；武光輝等[8]采用鉆孔窺視儀探測了巷道松動圈范圍，并分析了圍巖的破壞模式及規律。而在抽采鉆孔封孔方面，崔宏磊等[9]采用單孔聲波發射進行了研究，確定了合理的封孔長度；李國榮[10]采用數值模擬與鉆屑指標法現場測試相結合的方法研究巷道裂隙帶發育范圍，確定鉆孔的封孔深度；郝瑞云[11]運用數值模擬分析鉆孔圍巖塑性區和彈性區變形破壞區間，得出軟煤層最優封孔參數范圍；姚學慶等[12]利用鉆孔成像儀進行鉆孔內抽采管路窺視，解決了九里山礦抽采效率低的問題。

基于此，采用礦用鉆孔成像儀對小莊煤礦40205工作面泄水巷、40307運順巷道和40309回順巷道開展巷道圍巖松動圈現場觀測，測定巷道圍巖松動圈的范圍，以期為小莊煤礦本煤層抽采鉆孔封孔深度范圍提供理論依據。

1 工程概況

小莊煤礦40205工作面屬于二盤區，40307工作面、40309工作面屬于三盤區，礦井設計主采煤層為4號煤層。二盤區工作面區域內煤層賦存較為穩定，厚度22～24 m；老頂為中-粗粒砂巖，厚度9～10 m；直接頂為細砂巖，厚度1～2 m；直接底為鋁質泥巖，致密塊狀厚度3～4 m。

三盤區工作面中東部煤層較厚，西部較薄，傾角0°～4°，厚度20～26 m；老頂為粗砂巖，中等穩定，厚度10～24 m；直接頂為粉砂巖，穩定性差，厚度9～10 m；直接底為泥巖，厚度3～4 m。工作面巷道周邊巖層以砂巖為主，穩定性較差，巷道掘進后產生變形，煤層內存在大量的構造裂隙發育，尤其是在受擾動影響較大的煤體內，裂隙會更加發育。

2 松動圈測定方案設計

2.1 測定設備

結合小莊煤礦4號煤層實際賦存條件及現場生產作業條件，在40205工作面泄水巷、40307運順巷道和40309回順巷道采用鉆孔窺視法。利用抽采鉆孔和卸壓鉆孔進行圍巖松動圈測定，鉆孔觀測儀器采用武漢長盛煤安科技有限公司研制的CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀。

2.2 方案設計

在40205工作面泄水巷、40307運順巷道和40309回順巷道利用抽采鉆孔和卸壓鉆孔進行鉆孔窺視現場觀測，窺視鉆孔布置如圖1所示，測試鉆孔參數見表1。

圖1 窺視鉆孔布置示意Fig.1 Layout of peep boreholes

表1 鉆孔窺視法布孔參數Table 1 Borehole layout parameters of borehole peeping method

3 鉆孔窺視測量結果分析

3.1 40205工作面泄水巷鉆孔窺視

40205工作面泄水巷鉆孔窺視成像如圖2所示，鉆孔窺視立體分段展開圖如圖3所示。由圖2(a)、(b)可以看出，在40205工作面泄水巷300 m處，初入鉆孔處，鉆孔周圍煤體破損嚴重，裂隙發育充分；2.20 m處，鉆孔頂部和底部仍然存在連片破裂位置；4.24 m處，窺視鏡頭沾染部分煤屑，鉆孔里有水，孔壁相對完整；6.25 m處，水流和煤屑混合形成煤泥，阻礙窺視儀深入，直至8.02 m處，鉆孔被徹底封堵無法深入。該預抽鉆孔窺視表明，水排渣預抽鉆孔施工，盡量選用適度仰角施工以便孔內水排放，否則孔底水和煤屑混合及水體浸泡容易堵塞鉆孔，影響預抽效果；鉆孔成型之后，要利用壓風將鉆孔內煤屑清掃干凈，再進行封孔。

圖2 40205工作面抽采鉆孔窺視Fig.2 Peeping of the extraction borehole in 40205 working face

圖3 40205工作面抽采鉆孔窺視分段展開圖Fig.3 Sectional expanded view of extraction borehole peeping in 40205 working face

通過觀測鉆孔窺視立體分段展開圖，發現在0～1.0 m區間，有3條明顯的裂隙；在鉆孔3.0～3.6 m區間，有2條小裂隙；隨著鉆孔進一步深入，煤壁相對完整，但是由于鉆孔中水與煤粉形成煤泥附著在鉆孔壁上，煤泥的逐漸累積導致鉆孔孔徑相對空間縮小。由圖2(c)、(d)可以看出，在40205工作面泄水巷285 m處，鉆孔深度0.61 m位置，有明顯的大裂隙生成；鉆孔深入煤體1.05 m，鉆孔煤壁均有不同尺度的裂隙形成；當深入到煤體2.19 m，裂隙數量逐漸減少；深入3.5 m，可以看到鉆孔壁相對完整，但是煤屑增加，不利于窺視儀深入；在鉆孔深度4.06 m，鉆孔變形嚴重，煤體阻擋鉆孔窺視儀鏡頭，無法深入。在退出的過程中，發生了一次煤炮，聲音較大，鉆孔孔口有煤體崩落。說明測試幫部應力較大，彈性能積聚而引發煤炮釋放能量，可能造成鉆孔塌孔。

進一步通過鉆孔窺視立體分段展開圖觀測，發現鉆孔0～1.5 m區域，有多條裂隙存在，由外向內，裂隙尺度逐漸縮小；另外，在鉆孔2.85 m位置，可見一條明顯裂隙存在；鉆孔其他位置也散布著不同程度的破裂區，說明應力積聚過程中，鉆孔發生變形。

3.2 40307運順巷道鉆孔窺視

40307工作面左幫抽采鉆孔窺視成像如圖4所示，鉆孔窺視立體分段展開圖像如圖5所示。在40307運順巷道里程390 m左幫處，由圖4(a)、(b)可以看出，在0.32 m處，煤體破裂嚴重，裂隙數量較多；在1.65 m處，仍然可見大片的破裂區；隨著深入鉆孔3.66 m處，明顯可見鉆孔頂底部有破裂區域；隨著鉆孔深度進一步增加，鉆孔煤壁裂隙數量逐漸減少，完整度逐漸增加，一直延續到鉆孔測試底部。

圖4 40307工作面左幫抽采鉆孔窺視Fig.4 Peeking of extraction borehole at left side of 40307 working face

圖5 40307工作面左幫抽采鉆孔窺視分段展開圖Fig.5 Sectional expanded view of the left side borehole peeping in 40307 working face

通過觀測鉆孔窺視立體分段展開圖，發現鉆孔0～0.75 m區域，有較多煤屑附著在鉆孔煤壁上；在鉆孔1.5～2.0 m區域和4.0～4.5 m區域，有較大破裂區存在；隨著深入鉆孔，其煤壁逐漸完整和光滑。在40307運順巷道里程380 m左幫處，從圖4(c)、(d)測試結果可以看出，鉆孔深度1.53 m位置，煤體破裂嚴重；當鉆孔深入煤體3.04 m，發現鉆孔頂部左上角和底部右下角有局部破裂區；當鉆孔繼續深入煤體，窺視鏡頭出現反光現象，說明鉆孔里有水，但可以看出鉆孔孔壁相對完整，隨著進一步向里窺視，孔壁完整性逐漸增加。進一步觀測鉆孔窺視立體分段展開圖，發現1.8～3.3 m區域，鉆孔孔壁存在不同尺度的破裂區域；隨著深入，孔壁逐漸完整并趨于光滑。

40307工作面右幫抽采鉆孔窺視成像如圖6所示，鉆孔窺視立體分段展開圖像如圖7所示。

圖7 40307工作面右幫抽采鉆孔窺視分段展開圖Fig.7 Sectional expanded view of the right side borehole peeping in 40307 working fac

在40307運順巷道里程400 m右幫處，從圖6(a)、(b)可以看出，在1.12 m處，鉆孔周圍煤體破損嚴重，尤其是左上角和右下角，裂隙發育充分，且伴隨大塊煤體碎片；隨著進一步深入鉆孔3.61 m處，發現鉆孔左下角裂隙相對較多，并伴隨少量煤體碎片；繼續深入鉆孔，鉆孔周圍仍然存在少量裂紋，且逐漸減少趨于平滑，后續鉆孔里有水，水中漂浮著相較前面更小的煤屑。

通過觀測鉆孔窺視立體分段展開圖，發現在0～5.0 m區間，鉆孔孔壁非常粗糙，說明裂隙發育充分，且隨鉆孔深度增加孔壁粗糙度逐漸降低，裂隙逐漸變少，之后窺視至結束未再發現明顯裂隙分布。在40307運順巷道里程370 m右幫處，從圖6(c)、(d)可以看出，在1.06 m處，鉆孔周圍煤體破損嚴重，裂隙發育充分，且附著煤屑較多；繼續深入，在3.65 m處，孔壁完整性較好，但鉆孔周圍伴有煤體顆粒；之后鉆孔更深處，孔壁非常完整，且趨于光滑。進一步通過鉆孔窺視立體分段展開圖觀測，發現在0～1.2 m之間孔壁極為粗糙，在孔壁左側裂隙發育充分，右側次之，且1.2～2 m處也有裂隙發育，之后窺視孔壁逐漸平滑。

圖6 40307工作面右幫抽采鉆孔窺視Fig.6 Peeking of extraction borehole at right side of 40307 working face

3.3 40309回順巷道鉆孔窺視

40309回順巷道鉆孔窺視結果如圖8所示，可以看出，在1.11 m處，鉆孔周圍煤體破損嚴重，裂隙發育充分，且附著煤屑較多，底部伴隨少量積水；鉆孔逐漸深入到6.19 m過程中，發現鉆孔周圍存在不同程度的破裂區；之后鉆孔繼續深入，鉆孔周圍裂隙逐漸減少，鉆孔孔壁趨于光滑。在鉆孔窺視觀測過程中，該巷道左幫有清晰的煤炮聲，且次數較多，說明該區域應力較大；且測試地點距離40309工作面約300 m左右，受采動作業影響，巷道圍巖松動圈范圍較大。

圖8 40309回順巷道抽采鉆孔窺視Fig.8 Peeping of the extraction borehole in 40309 return roadway

3.4 松動圈測量結果

基于在40205工作面泄水巷、40307運順和40309回順部分巷道段的鉆孔窺視結果，確定松動圈范圍見表2。

表2 松動圈范圍Table 2 Range of loose zone

4 結論

(1)工作面巷道圍巖松動圈內裂隙發育程度及分布規律受采動影響較大。未受采動影響區域的巷道圍巖鉆孔深部裂隙發育較差，孔壁趨于平滑，僅存在少量裂紋；受采動影響區域的巷道圍巖在同鉆孔深部位置裂隙發育較為充分，裂紋較多，且孔壁平滑區域更為深入。

(2)通過鉆孔窺視實測確定了巷道圍巖松動圈范圍。未受采動影響區域的巷道圍巖松動圈范圍4.00～4.50 m；受采動影響區域的巷道圍巖松動圈范圍擴大到9 m左右。

(3)瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應超出煤巷幫的松動圈范圍，考慮到鉆孔封孔本身密封性問題，同時結合“預抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴密，穿層鉆孔的封孔段長度不得小于5 m，順層鉆孔的封孔段長度不得小于8 m”的規定，建議本煤層抽采鉆孔封孔深度設置在12～15 m之間。既可以保證瓦斯抽采效果，又可以降低成本，避免抽采盲區的出現。