近距離煤層回采巷道圍巖破裂特征探測(cè)研究

侯化強(qiáng) 宗西華 郭營 張大強(qiáng) 孫小康

（1.山東省岱莊生建煤礦，山東 濟(jì)寧 277606；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

某煤礦9 煤與10 煤煤層間距在西部盤區(qū)為12～27m，平均18.5m，煤層間距較小，上分層9 煤已采空，受其采動(dòng)及采區(qū)煤柱影響，10 煤回采巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜。巷道圍巖控制理論研究成果表明，巷道圍巖穩(wěn)定性主要取決于圍巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)和圍巖支護(hù)。圍巖性質(zhì)對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性的影響很大，回采巷道頂板巖層一般呈層狀分布，巷道頂板巖層各分層的巖性、厚度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度往往決定了某一特定環(huán)境下巷道頂板的穩(wěn)定性。在巷道頂板巖性一定的情況下，分層厚度、節(jié)理裂隙間距越大，巷道頂板穩(wěn)定性越好，那么頂板離層值就越小。采用鉆孔窺視儀對(duì)近距離煤層下分層10-1052 巷道頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)近距離煤層下分層回采巷道頂板結(jié)構(gòu)與破裂范圍的精確空間定位，進(jìn)而為下一步確定近距離煤層下分層回采巷道的支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)提供直觀可靠的工程地質(zhì)依據(jù)，對(duì)于近距離煤層下分層回采巷道的支護(hù)和維護(hù)具有極其重要的意義。

10 煤煤層均厚3.1m，傾角4～10°，平均7°，直接頂為泥巖，厚度為4.5～6.7m，老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為8.4～16.7m，直接底為泥巖，厚度為3.21～5.2m，老底為粉砂巖，厚度為2.30～4.8m。10-1052 掘進(jìn)工作面位于9-103、9-201、9-203、9-205 采空區(qū)下，南面為采區(qū)軌道巷、回風(fēng)大巷和采區(qū)皮帶巷，西面為10-109 掘進(jìn)工作面，東面和北面為實(shí)體煤。10-1052 為10-105 工作面的回采巷道，主要用于行人、運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)，巷道沿10 煤頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬4200mm，凈高3200mm，巷道頂?shù)装鍘r層特征如表1 所示。

表1 巷道頂?shù)装鍘r層特征

1 巷道圍巖探測(cè)儀器及方案

1.1 探測(cè)儀器及其工作原理

JL-IDOI2007 智能鉆孔電視成像儀主要由探頭、電纜、主機(jī)、支架4 部分組成，如圖1 所示，該儀器能直觀地反映巷道圍巖的結(jié)構(gòu)，提供高清晰度、高精度（圖像深度分辨率達(dá)0.1mm）的鉆孔全柱面成像圖。

圖1 智能鉆孔窺視儀(JL-IDOI2007)

鉆孔窺視儀的基本工作原理是利用CCD 攝像頭把光線轉(zhuǎn)變成電子訊號(hào)，通過電纜將訊號(hào)輸送到圖像接收儀上，觀察、記錄、存儲(chǔ)鉆孔結(jié)構(gòu)圖像，并可與計(jì)算機(jī)連接，分析和處理圖像，能直觀、清晰地反映巷道圍巖的結(jié)構(gòu)情況，智能鉆孔窺視儀原理圖如圖2 所示。

圖2 智能鉆孔窺視儀原理圖

在智能鉆孔窺視儀的探頭上除了CCD 攝像頭，其前端有一個(gè)指南針和標(biāo)尺，利用指南針可以確定裂隙的方向，利用標(biāo)尺可以對(duì)裂隙的幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)離層的變化進(jìn)行觀測(cè)。

1.2 探測(cè)斷面布置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)10 煤回采巷道頂板結(jié)構(gòu)的精確探測(cè)，我們選擇了10-105 工作面回采巷道10-1052 巷道作為測(cè)試段，在測(cè)試巷道段每隔20m 布置一組探測(cè)斷面，共計(jì)布置了5 組探測(cè)斷面進(jìn)行探測(cè)，每組探測(cè)斷面頂板布置兩個(gè)探測(cè)鉆孔，探測(cè)鉆孔及其斷面布置如圖3 所示，其中斷面在9 煤層采區(qū)煤柱下方。

在每個(gè)探測(cè)斷面的頂板分別布置兩個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為φ28mm，鉆孔深度為8.0m～8.5m。鉆孔鉆出以后，須對(duì)鉆孔用水沖洗2～3min，以防止鉆孔內(nèi)的粉塵影響儀器成像的清晰度。

圖3 探測(cè)鉆孔及其斷面布置

2 探測(cè)結(jié)果及分析

巷道頂板探測(cè)斷面布置完成以后，利用JLIDOI2007 智能鉆孔電視成像儀對(duì)10 個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。分析探測(cè)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）工作面頂板巖性差異變化較小，直接頂為泥巖，平均厚度在5.5m 左右，巖層較完整。當(dāng)巖層處于上分層采區(qū)煤柱下方時(shí)，受應(yīng)力集中的影響，整個(gè)巖層出現(xiàn)不同程度的水平開裂，裂隙十分發(fā)育；當(dāng)處于上分層采空區(qū)下方時(shí)，巖層則相對(duì)較為完整，裂隙發(fā)育較少。

（2）巷道老頂為細(xì)粒砂巖，厚度比較穩(wěn)定，巖層強(qiáng)度很高，完整性較好。當(dāng)巖層處于上分層采區(qū)煤柱下方時(shí)，在距離巷道表面約7.0～8.0m 范圍內(nèi)，巖層水平裂隙比較發(fā)育，這是由于上分層采區(qū)煤柱應(yīng)力集中而產(chǎn)生的；巖層處于上分層采空區(qū)下方時(shí)，巖層整體比較完整，僅在與直接頂泥巖的界面處出現(xiàn)一些細(xì)小的水平裂隙。

（3）巷道頂板巖層的破壞方式大都為沿著水平節(jié)理或巖層交界面方向開裂，這說明巷道頂板巖層的本身強(qiáng)度(彈性模量、抗壓強(qiáng)度等)很高，但是巖層內(nèi)部的節(jié)理、弱面和巖層交界面的強(qiáng)度很低，是極易發(fā)生離層破壞的部位，在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮巖層破壞的這個(gè)重要特征。

（4）由于上分層采區(qū)煤柱應(yīng)力集中的影響，當(dāng)巷道過煤柱下方時(shí)候，巷道破裂范圍能達(dá)到8.0m 以上，在支護(hù)方案選擇時(shí)，若只單純的采用“錨網(wǎng)梁索”支護(hù)，有可能無法控制頂板巖層離層的發(fā)展，這種情況下應(yīng)該考慮在普通“錨網(wǎng)梁索”支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行“架棚”支護(hù)。

［1］Jian Sun，Lianguo Wang，Zhansheng Wang;Huaqiang Hou，Yifeng Shen.Determining areas in an inclined coal seam floor prone to water-inrush by microseismic monitoring [J].Source：Mining Science and Technology (China)，2011，3，21（2）：165-168.

［2］Sun Jian，Wang Lianguo，Hou Huaqiang.Application of micro -seismic monitoring technology in mining engineering [J].Source：Mining Science and Technology (China)2011，3，22（1）：79-83.

［3］肖福坤，孫豁然.深井巷道圍巖穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè)，2008，17(5)：97-99.

［4］康紅普，司林坡，蘇波.煤巖體鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(12)：1949-1956.

［5］王連國，侯化強(qiáng)，孫建，歐蘇北.高應(yīng)力回采巷道圍巖破裂機(jī)理及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（3）：361-365+396.

［6］侯新春.大傾角煤層巷道圍巖破裂結(jié)構(gòu)特征探測(cè)[J].山西焦煤科技，2011，8：10-17.

［7］楊占國，索永錄，姬紅英，等.高應(yīng)力半煤巖異形巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試[J].煤炭技術(shù)，2010，29(6)：83-84.

［8］侯化強(qiáng)，王連國，陸銀龍，張蓓.矩形巷道圍巖應(yīng)力分布及破壞機(jī)理研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(Supp.2)：1625-1629.

［9］侯化強(qiáng)，王連國，李慧穎，李憲偉，邢松濤.高應(yīng)力回采巷道圍巖破裂機(jī)理及控制研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2011，33（6）：50-54.

［10］陳炎光，陸士良.中國煤炭巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994：100-103.