大南湖一礦“三軟”煤層回采巷道圍巖破壞規(guī)律研究

許 勃

(神華國能哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆自治區(qū)哈密市，839000)

新疆哈密地區(qū)大南湖礦區(qū)煤炭資源豐富，其中大南湖礦區(qū)一區(qū)為在建的大型現(xiàn)代化礦區(qū)。隨著礦區(qū)內(nèi)一號(hào)礦井的投產(chǎn)，在“三軟”煤層條件下采煤工作面回采過程中回采巷道圍巖穩(wěn)定性分析、掘進(jìn)巷道支護(hù)參數(shù)選擇及優(yōu)化、巷道圍巖變形破壞及控制技術(shù)等涉及到礦井安全生產(chǎn)的一系列礦山壓力以及圍巖控制技術(shù)問題，亟待系統(tǒng)性總結(jié)及理論分析。采煤工作面回采期間，巷道圍巖破碎，變形破壞嚴(yán)重，底鼓問題突出，巷道返修率高，維護(hù)工程量大，嚴(yán)重影響礦井正產(chǎn)生產(chǎn)，回采巷道的巷道變形規(guī)律及其圍巖控制技術(shù)有待深入研究。

許多學(xué)者針對(duì)軟巖巷道變形破壞機(jī)制及相應(yīng)支護(hù)控制技術(shù)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。王衛(wèi)軍等針對(duì)軟巖巷道的變性特點(diǎn)，提出“高阻讓壓、高強(qiáng)度”支護(hù)方案，取得較好的控制效果；高明仕等針對(duì)軟巖巷道強(qiáng)流變及大變形的破壞特征，提出全斷面、全支全讓O型封閉支護(hù)技術(shù)，有效地控制了軟巖巷道的大變形；唐建新等通過室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀察監(jiān)測(cè)和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)巷道圍巖變形破壞進(jìn)行綜合分析研究；于學(xué)馥等提出“軸變論”理論，認(rèn)為從巷道圍巖的應(yīng)力分布特征來具體研究圍巖變形破壞規(guī)律，根據(jù)地應(yīng)力、圍巖應(yīng)力并結(jié)合巷道圍巖的巖體力學(xué)性質(zhì)及變形特征，通過對(duì)巷道圍巖應(yīng)力特征進(jìn)行分類，才能對(duì)巷道維護(hù)起到關(guān)鍵作用，依據(jù)彈性理論的“軸變論”認(rèn)為橢圓形狀是巷道破壞變形的最終形態(tài)；來興平等通過對(duì)急傾斜特厚煤層回采巷道圍巖內(nèi)部裂隙的分布特征，結(jié)合圍巖變形、圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巷道圍巖破壞，通過聲光電三種監(jiān)測(cè)手段對(duì)巷道圍巖進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)，對(duì)巷道變形破壞及早預(yù)測(cè)并采取相應(yīng)措施，保障了巷道的穩(wěn)定；張德華等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了高應(yīng)力軟巖隧道中格柵支護(hù)與中型鋼支護(hù)效果研究，結(jié)果表明，中型鋼支護(hù)對(duì)于軟巖巷道前期的變形起到約束作用，而后期中型鋼卻不能進(jìn)一步阻止隧道圍巖變形且自身承受較大的圍巖應(yīng)力，不利于隧道二次襯砌，相反格柵支護(hù)前期釋放了圍巖的應(yīng)力后期采用剛性支護(hù)，對(duì)隧道采取“先柔后剛”的支護(hù)原則，實(shí)現(xiàn)了隧道的穩(wěn)定支護(hù)；陳衛(wèi)忠等通過現(xiàn)場(chǎng)真三軸蠕變?cè)囼?yàn)，較為準(zhǔn)確地分析了軟巖蠕變隨時(shí)間的變形規(guī)律，提出了泥巖蠕變模型及相應(yīng)變化參數(shù)，通過模型試驗(yàn)真實(shí)反映了現(xiàn)場(chǎng)軟巖的流變特征，得出軟巖蠕變速率與時(shí)間、應(yīng)力水平相關(guān)，對(duì)軟巖巷道持久變形和支護(hù)設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 工程地質(zhì)概述

大南湖一礦1303工作面煤層整體形態(tài)為一寬緩的向斜構(gòu)造，向斜核部約在3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷以西1469 m處，向斜兩翼不對(duì)稱，煤層產(chǎn)狀變化較大，走向221°，傾向131°，傾角7°～16°，平均9°；煤層走向坡度存在較大變化，以開切眼為起點(diǎn)，0～500 m范圍為10°～5°下坡，500～1934 m范圍為0°～3°上坡。

1303綜放工作面所采煤層為3號(hào)煤層，煤層厚度6.2～8.9 m，平均6.3 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至復(fù)雜，屬穩(wěn)定至較穩(wěn)定煤層。工作面采用單一走向長壁后退式采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。其中，采煤機(jī)割煤高度2.8 m，放煤高度3.5 m，采放比約為1∶1.25，循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，放煤步距0.8 m。煤層老頂為粉砂巖、泥巖，平均厚度3.62 m；直接頂為泥巖、粉砂巖，平均厚度2.89 m；直接底為泥巖，平均厚度1.85 m；老底為粉砂巖，平均厚度2.7 m。煤層頂?shù)装鍘r石抗壓強(qiáng)度Rc小于5 MPa，軟化系數(shù)Ka小于0.75，各煤層抗壓強(qiáng)度多在6.5～7.5 MPa之間，煤層頂?shù)装宥鄬賹訝罱Y(jié)構(gòu)的極軟巖，屬極不穩(wěn)固巖層，是典型的“三軟”煤層。

1303綜放工作面回采巷道為矩形斷面，巷道凈寬5 m，凈高3.2 m，采用錨網(wǎng)噴、鋼筋梯聯(lián)合錨索梁支護(hù)，采用C30混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。頂板錨桿采用右旋無縱筋等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?20 mm×2500 mm，巷幫錨桿采用右旋無縱筋等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?20 mm×2200 mm；錨索為?21.8 mm×8000 mm。

2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)及破壞特點(diǎn)分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

在巷道內(nèi)利用十字布點(diǎn)法布置表面位移監(jiān)測(cè)站，對(duì)試驗(yàn)段內(nèi)采動(dòng)影響下的巷道變形進(jìn)行觀測(cè)記錄，分析軟巖巷道的變形規(guī)律。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭椭芯€方向和側(cè)幫偏下的位置共3處布置?29 mm×380 mm的孔，將?28 mm×400 mm的木樁打入孔，具體見圖1。頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測(cè)釘，底板和下幫木樁端部安設(shè)平頭測(cè)釘。在各測(cè)點(diǎn)拉緊卷尺，測(cè)量并記錄數(shù)值。

圖1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)布置

2.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

隨著1305綜放工作面的不斷推進(jìn)，受測(cè)斷面距離回采工作面越來越近。對(duì)1500～900 m范圍內(nèi)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，監(jiān)測(cè)時(shí)間從2015年1月14日至2015年1月21日，重點(diǎn)對(duì)距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1480 m、1430 m和1420 m斷面進(jìn)行分析。初始日期為1月14日，此時(shí)工作面推進(jìn)至距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1534 m處；截止日期為1月21日，此時(shí)工作面推進(jìn)至距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1499 m處。

2.3 數(shù)據(jù)分析

距3號(hào)煤層膠帶大巷1480 m不同距離處的斷面巷道變形量-時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 距3號(hào)煤層膠帶大巷不同距離處的斷面巷道變形量-時(shí)間曲線

由圖2(a)可知，此位置斷面變形較大，其中頂?shù)装遄冃瘟孔畲?，總?jì)為30 cm，底部?jī)蓭妥冃瘟看沃?，中部?jī)蓭妥冃瘟肯鄬?duì)較小。變化最為明顯的時(shí)間段為1月18日至1月21日，其曲線斜率突然變大，1月19日工作面推進(jìn)至距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1503 m處，此時(shí)距測(cè)點(diǎn)23 m，故工作面開采至距此斷面28 m左右時(shí)，有較為明顯的采動(dòng)影響。但在1月18日之前的區(qū)域，依然存在一定程度的巷道變形，表明此范圍依然受到一定程度的采動(dòng)影響，故此斷面圍巖穩(wěn)定情況一般。

由圖2(b)可知，此位置頂?shù)装遄冃瘟繛?0 cm，底部?jī)蓭妥冃瘟看沃?，中部?jī)蓭妥冃瘟亢苄?，其曲線斜率并未在某一時(shí)間點(diǎn)有較為明顯的改變，1月21日工作面推進(jìn)至距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1499 m處，此時(shí)距測(cè)點(diǎn)69 m，故工作面開采至距此斷面70 m左右時(shí)，只對(duì)此斷面產(chǎn)生較小的影響，圍巖穩(wěn)定性良好。

由圖2(c)可知，此位置頂?shù)装遄冃瘟繛? cm，底部?jī)蓭妥冃瘟看沃?，中部?jī)蓭妥冃瘟亢苄?，其曲線斜率變化較小，1月21日工作面推進(jìn)至距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1499 m處，此時(shí)距測(cè)點(diǎn)79 m，故工作面開采至距此斷面80 m左右時(shí)，對(duì)此斷面產(chǎn)生影響較小，圍巖穩(wěn)定性良好。

2.4 巷道表面位移綜合分析

通過十字布點(diǎn)法對(duì)巷道變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形觀察記錄相互驗(yàn)證，最終可得如下結(jié)論：

(1)采動(dòng)影響下回采巷道破壞呈整體破壞型，巷道底鼓量大，并伴隨一定的頂板下沉及兩幫收斂。在距工作面0～70 m范圍內(nèi)巷道都有不同程度的破壞，主要表現(xiàn)在兩幫收斂，并伴隨一定量的巷道底鼓；巷道受采動(dòng)影響在采距小于40 m時(shí)開始顯現(xiàn)明顯，巷道底鼓加劇，兩幫收斂明顯；而在小于30 m后，巷道底鼓加劇，頂板下沉且破碎嚴(yán)重，兩幫也劇烈內(nèi)斂。

(2)兩幫收斂特點(diǎn)主要表現(xiàn)在下幫距底板1.6～1.9 m范圍內(nèi)沿煤層夾矸內(nèi)擠，產(chǎn)生水平錯(cuò)動(dòng)，移近量在0～200 mm范圍內(nèi)。

(3)巷道底鼓主要表現(xiàn)在距工作面40～90 m范圍內(nèi)，巷道底板呈不對(duì)稱性底鼓，底鼓量在0～200 mm之間；在40～10 m范圍內(nèi)底鼓量在200～500 mm之間；在10～-10 m范圍內(nèi)巷道底鼓量明顯加劇，在500～1000 mm之間。

(4)頂板破碎、下沉。雖然頂板的支護(hù)強(qiáng)度較大，但由于兩幫下沉失穩(wěn)和底鼓嚴(yán)重而導(dǎo)致頂板破碎下沉，在距工作面20～40 m范圍內(nèi)，頂板距下幫100～200 mm范圍內(nèi)發(fā)生斷裂；距工作面20 m范圍內(nèi)頂板開始斷裂下沉；距工作面10 m范圍內(nèi)頂板破碎嚴(yán)重。

3 巷道圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育及破碎程度監(jiān)測(cè)

3.1 松動(dòng)圈測(cè)試

圍巖松動(dòng)圈的大小是巷道圍巖支護(hù)的重要參數(shù)。目前，測(cè)試巷道圍巖松動(dòng)圈的方法有很多，包括超聲波探測(cè)法、多點(diǎn)位移計(jì)量探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法以及地震波測(cè)試法等。現(xiàn)場(chǎng)采用超聲波探測(cè)法對(duì)回采工作面輔助運(yùn)輸巷圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了測(cè)試。超聲波松動(dòng)圈測(cè)試儀是通過對(duì)接收圍巖中聲波傳播速度的差異變化來研究巷道圍巖的松動(dòng)程度與范圍。接收到的聲波速度愈大，圍巖愈穩(wěn)定、裂隙愈??；反之，圍巖裂隙發(fā)育、松動(dòng)范圍大。在回采工作面輔助運(yùn)輸巷距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m、1310 m、1260 m處斷面進(jìn)行了松動(dòng)圈測(cè)試，得到1303工作面輔助運(yùn)輸巷距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷不同距離處斷面接收聲波的傳播速度隨鉆孔深度變化曲線圖，方框中的數(shù)值為對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的波速。通過波速的變化來判定圍巖的松動(dòng)范圍。

距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m斷面頂板鉆孔聲波速度隨鉆孔深度變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，鉆孔深度0.1～1.1 m范圍內(nèi)聲波波速上升明顯；1.1～2.1 m范圍內(nèi)波速變化明顯，并呈下降趨勢(shì)，在3.1 m處由于現(xiàn)場(chǎng)干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)為零；鉆孔從4.1～5.1 m范圍內(nèi)波速略有上升，隨后至6.1 m的過程中，波速又下降，6.1～8.1 m范圍內(nèi)，波速變化與4.1～6.1 m十分類似，而從8.1～9.1 m的過程中，接收的波速變化不再明顯。除去誤差，總體來看該斷面頂板聲波接收速度的最小值為1346.80 m/s，維持在一個(gè)較低的水平，表明該位置頂板煤體整體穩(wěn)定性一般。在0.1～2.1 m范圍內(nèi)的波速變化明顯，反映出在該范圍內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育較大?；趯?duì)整個(gè)深度范圍內(nèi)波速的考慮，綜合判定該斷面頂板的松動(dòng)范圍在2.5 m左右。

距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m斷面北幫鉆孔聲波速度隨鉆孔深度變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，鉆孔深度0.6～1.6 m范圍內(nèi)煤體波速變化幅度不大；1.6～2.6 m范圍內(nèi)煤體波速略有上升；2.6～3.6 m范圍內(nèi)接收的波速進(jìn)一步出現(xiàn)小幅度的增加；3.6～4.6 m范圍內(nèi)波速基本保持不變；4.6～5.6 m范圍內(nèi)波速出現(xiàn)小幅度的下降；5.6～6.6 m范圍內(nèi)波速逐漸上升；6.6～7.6 m范圍內(nèi)波速再度略有下降；從7.6 m開始，波速大幅度上升，說明從7.6 m開始煤體穩(wěn)定程度大幅度上升。總體看來，深度在0.6～2.6 m范圍以內(nèi)，波速較小，表明這一段范圍的煤體較為破碎，裂隙較發(fā)育，在2.6～6.6 m范圍內(nèi)，波速逐漸升高，表明該段煤體穩(wěn)定性隨著靠近內(nèi)部的深度穩(wěn)定性持續(xù)變強(qiáng)，但在6.6～7.6 m處圍巖裂隙較發(fā)育，最后從8.6 m開始，接收的波速急劇升高，表明該段煤體穩(wěn)定性逐漸趨于良好。因此，綜合分析可得，該斷面北幫煤體的松動(dòng)圈在2 m范圍左右。

圖3 距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m斷面頂板鉆孔聲波速度隨鉆孔深度變化曲線

圖4 距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m斷面北幫鉆孔聲波速度隨鉆孔深度變化曲線

距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m斷面南幫鉆孔聲波速度隨鉆孔深度變化曲線如圖5所示。

圖5 距3號(hào)煤層膠帶運(yùn)輸大巷1360 m斷面南幫鉆孔聲波速度隨鉆孔深度變化曲線

由圖5可以看出，巷道南幫鉆孔共探測(cè)5.1 m，鉆孔深度從0.1～1.1 m范圍內(nèi)煤體波速明顯增大；1.1～2.1 m范圍內(nèi)煤體波速呈現(xiàn)較大幅度的下降； 2.1～3.1 m范圍內(nèi)，波速幾乎未發(fā)生改變，表明該段煤體穩(wěn)定性類似。總體看來，鉆孔在0.1～2.1 m范圍內(nèi)接收的波變化幅度十分明顯，表明該段煤體的圍巖穩(wěn)定性較弱，圍巖較破碎，裂隙發(fā)育程度較高，2.1～5.1 m范圍內(nèi)，接收的聲波速度較為穩(wěn)定，因此可知波速整體維持在一個(gè)較低的水平，故該段煤體的圍巖穩(wěn)定性一般，圍巖裂隙均勻分布于煤體各處，但由于波速變化不大，故煤體隨著靠近內(nèi)部的深度，圍巖變化情況也逐漸減小。因此，綜合分析可得，該斷面南幫煤體的松動(dòng)圈在2.1 m范圍左右。

綜合圖3、圖4和圖5三組斷面松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果認(rèn)為，該巷道南幫松動(dòng)圈小于2.4 m，北幫松動(dòng)圈小于2.5 m，頂板松動(dòng)圈小于2.5 m，巷道頂板7.6 m以上的位置巖層基本較為穩(wěn)定。

3.2 鉆孔窺視分析

采用鉆孔窺視儀對(duì)巷道圍巖進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，能直觀、清晰地觀測(cè)到圍巖內(nèi)部的破壞、離層等情況，確定圍巖松動(dòng)圈的厚度，為巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)方案的制定提供可靠的依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)采用國產(chǎn)YS(B)鉆孔窺視儀對(duì)孔內(nèi)煤壁裂隙發(fā)育和演化進(jìn)行觀測(cè)，YS(B)鉆孔窺視儀可用于任意方向煤、巖體松動(dòng)及裂隙窺視、水文探孔、瓦斯抽放孔孔內(nèi)情況探查、錨桿孔質(zhì)量檢查和裂隙觀察等。采用高清晰度探頭及彩色顯示設(shè)備，可分辨1 mm的裂隙及不同巖性，與微機(jī)可直接連接，便于圖像的實(shí)時(shí)顯示。

巷道頂板鉆孔窺視圖如圖6所示。由圖6可以看出，頂板巖層在0～0.8 m范圍內(nèi)圍巖嚴(yán)重破碎，局部呈松散體狀態(tài)；0.8～1.7 m范圍，內(nèi)裂隙較發(fā)育，以環(huán)向裂隙為主；1.7～2.4 m范圍內(nèi)，頂板有離層；2.4～5 m范圍內(nèi)，圍巖較完整，未出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象；5～7 m范圍內(nèi)，圍巖完整性相對(duì)較差；7～10 m范圍內(nèi)，孔壁表面完整光滑。

圖6 巷道頂板0～10 m鉆孔窺視圖

北幫鉆孔窺視圖如圖7所示。由圖7可以看出，0～0.6 m范圍內(nèi)，圍巖破碎嚴(yán)重，局部呈松散狀；0.6～1.5 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育，以環(huán)向裂隙為主；1.5～2.3 m范圍內(nèi)，圍巖破碎，裂隙發(fā)育較多，局部存在離層現(xiàn)象；2.3～3.8 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育，但圍巖破碎程度較??；3.8～10 m范圍內(nèi)，裂隙逐漸減少，圍巖趨于完整，孔壁表面逐漸光滑。

南幫0～10 m范圍內(nèi)鉆孔窺視圖如圖8所示。由圖8可以看出，0～0.5 m范圍內(nèi)，圍巖破碎，巖體呈現(xiàn)松散狀態(tài)；0.5～2 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育，多數(shù)為環(huán)向裂隙；2～3.5 m范圍內(nèi)，裂隙較發(fā)育；3.5～10 m范圍內(nèi)，孔壁表面逐漸光滑，趨于完整。

圖7 巷道北幫0～10 m范圍內(nèi)鉆孔窺視圖

圖8 巷道南幫0～10 m范圍內(nèi)鉆孔窺視圖

4 結(jié)論

本文以大南湖一礦為工程背景，采用巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)、松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)和鉆孔窺視技術(shù)，分析了1305回采工作面巷道圍巖破壞的表面位移特征，以及巷道破壞的松動(dòng)圈范圍及圍巖深部破壞特征，得到如下結(jié)論：

(1)采動(dòng)影響下回采巷道破壞呈整體破壞型，巷道底鼓量大，并伴隨一定的頂板下沉及兩幫收斂。

(2)根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，頂板及兩幫松動(dòng)圈大體一致，松動(dòng)圈的范圍在2600 mm以內(nèi)。

(3)距巷道頂板7.6 m以上的巖層較為穩(wěn)定，目前采用錨索長度為8 m，滿足支護(hù)要求。

(4)鉆孔窺視分析表明，0～2.4 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育；1.5～2.4 m范圍內(nèi)，頂板存在離層；2.4～4 m范圍內(nèi)，孔壁較粗糙，局部裂隙較發(fā)育，常有縱向裂隙向鉆孔深部延伸；4～10 m范圍內(nèi)，孔壁相對(duì)光滑完整。