工作面頂板安全狀況鉆孔窺測分析

胡穎棟,張玖莘,張 帆,趙 琪

(1.山西潞安礦業(集團)有限責任公司 古城煤礦,山西 長治 046000;2.華北科技學院,北京 101601;3.沈陽焦煤股份有限公司 西馬煤礦,遼寧 沈陽 110000)

在巷道支護中,頂板和兩幫的圍巖塑性區對支護參數和支護方案的選擇影響非常明顯,如果支護深度小于塑性區范圍,那么支護效果將大打折扣。可見,在巷道選擇支護參數時,塑性區對支護效果意義重大。為掌握某工作面頂板狀況,在巷道掘支前分析其頂板狀況。但由于巷道施工和井下生產的復雜性,采用理論計算和數值模擬等方法確定巷道圍巖塑性區的精度都不是很高,采用現場實測的方法是精度最高的。本文的現場實測方法采用的是鉆孔窺視,在屏幕上即可看到孔壁、孔底的情況。

1 測試儀器

在現場應用過程中,選擇的觀測儀器是YTJ20鉆孔窺視儀,如圖1所示。該儀器由探頭、探桿、控制器、電源(本安型電源)、顯示器5部分組成。在探頭處可以實時調節孔內亮度,實現精細化分析;根據不同的探測任務和探測目的進行選擇探桿的長度;顯示器上可以看到煤壁的破碎和完整狀態,同時顯示出此時探頭的深度。該鉆孔窺視儀的工作流程和原理如圖2所示。

圖1 YTJ20鉆孔窺視儀

圖2 電子窺視儀結構框圖

2 測點布置及窺視

在臨近工作面軌道巷內,施工鉆孔可掌握15煤的頂板巖層概況。在臨近工作面軌道巷內總共施工2個窺視孔,具體施工位置:窺視孔1:距離臨近工作面軌道巷與輔運下山交叉100 m處巷道中部,目的是探明工作面近處的頂板巖層概況,窺視孔深度約為10 m.窺視孔2:距離外切眼50 m處巷道中部,目的是探明工作面深處的頂板巖層概況,窺視孔深度約為10 m.位置詳情如圖3所示。

圖3 頂板窺視孔布置示意(單位:m)

2019年5月7日至2019年5月18日,在臨近工作面軌順兩個具有不同特征的位置,分別向頂板垂直鉆孔進行了窺視。

在鉆孔觀測過程中,實時記錄重點區域的觀測成果,根據煤壁的破碎情況選擇觀測速度和觀測角度,并對整個觀測過程的實時狀態進行錄像,記錄鉆孔內影響資料,為后續對比分析提供基礎數據,也能對應分析煤頂板結構分布及破壞情況,掌握采掘過程中頂板的動態變化過程。

3 窺視結果及分析

3.1 窺視孔1頂板窺視分析

在鑫源煤礦井下臨近工作面軌順巷道中,進行了鉆孔結構觀察。在觀測過程中記錄下了頂板的破碎狀況,為使得結果的直觀性對窺測結果中具有代表性的位置進行截圖。窺測孔1觀測結果如圖4所示,截取了不同深度的煤頂板裂隙和節理分布特征和形狀。

圖4 窺視孔1部分深孔窺視圍巖裂隙結果

從觀測結果可以看出,在距離臨近工作面軌道巷與輔運下山交叉100 m處巷道頂板中部,頂板巖層內未出現明顯的破碎帶,僅在深度為0～3 m范圍內,局部出現節理和裂隙等結構,且節理多為豎向節理,巖層與巖層的交界面上無明顯的離層現象。窺視孔1觀測表明,距離工作面膠帶巷開口較近的巷段,頂板巖層強度和完整性較好。

3.2 窺視孔2頂板窺視分析

窺視孔2的觀測結果如圖5所示,可直觀地反映出煤巖體中節理、層理、裂隙等結構面的分布特征與狀況,及現有巷道頂板的實際情況。

從窺視孔2的觀測結果可以看出,在某工作面距離外切眼50 m處的臨近工作面軌順巷道中,頂板內破碎嚴重,存在大量的破壞節理和裂隙,由于破碎的嚴重也使得巖層間的離層變得不明顯,造成離層小的原因主要是破碎充填和巖層不聯系破碎銜接。還可以發現在窺視范圍小于3 m時節理和裂隙發育非常明顯,由于頂板的破碎使得頂板的強度大大降低,在做支護設計和支護方案時必須著重考慮裂隙和節理的影響。

圖5 窺視孔2部分深孔窺視圍巖裂隙結果

4 結 語

通過對某工作面膠帶巷道相隔30 m的臨近工作面軌順頂板巖層的深部鉆孔窺視,并對兩個鉆孔展開圖進行分析,得出以下結論:

1) 某工作面頂板較堅硬,但是豎向裂隙較發育,圍巖垂直應力明顯大于水平應力;

2) 頂板在3 m范圍內的破碎狀態嚴重,在3 m后頂板的破碎狀況逐漸減小。