極薄煤層跨采下伏大巷變形破壞規(guī)律研究

宋康磊，王宏圖，萬亮亮，舒 才

（1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶400044；2.重慶能投渝新能源有限公司 韋家溝煤礦，重慶402194）

大巷服務(wù)于礦井基建、生產(chǎn)期間，承擔(dān)運輸通風(fēng)等任務(wù)，服務(wù)年限長，對其穩(wěn)定性要求高。大巷受上部工作面的跨采采動影響時維護會十分困難[1-3]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者針對跨采巷道穩(wěn)定性做了大量研究，如陸士良[3-5]等通過理論計算和實測得出在圍巖穩(wěn)定情況下，大巷與上覆工作面垂距z 小于20 m時，巷道才會受跨采采動影響；謝文兵[6-10]等認為近距離跨采巷道圍巖位移受開采引起的整體位移場影響較大，而不單純?nèi)Q于煤柱側(cè)支承壓力的作用；李學(xué)華[11]等通過數(shù)值模擬手段研究了高水平應(yīng)力條件下底板巷道在采動過程中圍巖位移場與應(yīng)力場分布的形態(tài)，得出跨采巷道肩角處是首先發(fā)生破壞的弱結(jié)構(gòu)部位；田磊[12]通過分析跨采巷道圍巖失穩(wěn)機理，提出了U 型鋼支架和錨索耦合支護技術(shù)；劉傳孝、董方庭等[13-16]通過現(xiàn)場研究與理論分析得出巷道圍巖松動圈理論，巷道開掘后會打破原巖應(yīng)力平衡，最終形成1 個損傷破碎巖體構(gòu)成的松動圈；謝雄耀等[17-19]提出基于點云的隧道三維建模算法，使隧道變形可視化，并通過與全站儀的精度比較試驗，驗證三維激光掃描技術(shù)在隧道變形測量中的可靠性。目前針對跨采巷道的研究有很多，但針對極薄煤層跨采巷道的研究仍較少，為此，以韋家溝煤礦7#極薄煤層跨越下伏大巷的開采為工程背景，研究極薄煤層開采條件下大巷的變形破壞規(guī)律。采用地質(zhì)雷達結(jié)合三維激光掃描儀現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測了跨采前后大巷變形破壞情況，并對其變形破壞原因進行了分析，提出將可伸縮支架的排距從1 m 減小為0.8 m，取得良好的控制效果。

1 工程概況及巷道變形特征

韋家溝煤礦主采煤層為7#與8#煤層，-320 m水平開采7#煤層，煤層埋深726 m，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，不含夾層，屬較穩(wěn)定煤層，平均煤厚0.42 m，屬于極薄煤層，煤層傾角為15.5°。7#與8#2 層煤直接頂較軟，煤層頂板以灰黑色泥巖為主，局部為粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，底板巖性主要為黑灰色泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖，工作面采用沿空留巷，頂板管理采用全部垮落法。

韋家溝煤礦-320 m 行人石門連接巖石大巷，兩巷道近于垂直布置，巷道布置圖如圖1；7#煤層和8#煤層相距10.3 m，其中7#煤層與-320 m 巖石大巷最近垂直距離為39.8 m。

圖1 巷道布置圖Fig.1 Roadway layout

現(xiàn)場調(diào)研可知，-320 m 巖石大巷初次支護采用錨噴方案，在跨采之前采用U 型鋼可伸縮支架對大巷進行預(yù)先支護，受上覆37111 工作面跨采影響后，大巷發(fā)生變形破壞，且初次支護使用的錨桿發(fā)生斷裂，在跨采的800 m 范圍內(nèi)，大巷也并非全部區(qū)域均發(fā)生破壞，僅有淋水嚴重的區(qū)域發(fā)生支架壓彎；現(xiàn)場對大巷圍巖鉆孔取心顯示圍巖受水浸泡變軟膨脹，使大巷喪失支護能力，頂板出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，同時底板向上抬升出現(xiàn)底鼓。

2 巷道變形破壞測試

2.1 地質(zhì)雷達監(jiān)測巷道松動圈

2.1.1 地質(zhì)雷達測試原理

地質(zhì)雷達探測時，雷達天線向介質(zhì)發(fā)射電磁波和能量，遇到有電性差異的界面產(chǎn)生反射波；反射波由探頭接收并數(shù)字化；通過后期軟件數(shù)據(jù)處理，可得到不同形式的地質(zhì)雷達剖面，通過回波信號的振幅、波形和頻率等運動學(xué)特征來分析介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征，即可得到所測結(jié)果[20-21]。采用的地質(zhì)雷達為美國GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-20，雷達的掃描速率為2～800次/s 掃描可選，具有DSP 數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)。

2.1.2 松動圈測試結(jié)果

本次配合地質(zhì)雷達測試使用的天線是100 MHz和400 MHz，對被影響破壞的大巷斷面進行掃描試驗，測試數(shù)據(jù)經(jīng)RADAN7 軟件后期處理得到地質(zhì)雷達波形圖如圖2。

圖2 地質(zhì)雷達波形圖Fig. 2 Waveform chart of the geological radar

以雷達波形圖數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場實測情況及-320 m 巖石大巷斷面形狀對雷達波形圖進行后處理，得到的跨采前后大巷松動圈示意圖如圖3。

圖3 跨采前后大巷松動圈示意圖Fig.3 Schematic diagram of cross mining loosening circle

經(jīng)過對跨采前后地質(zhì)雷達波形測試圖分析對比可得：①大巷的圍巖松動圈范圍在3.0～6.0 m；②巷道松動圈呈不規(guī)則分布，跨采后較跨采前大巷的兩肩角處的裂隙區(qū)域明顯加大。

2.2 三維激光掃描儀監(jiān)測巷道變形

工作面跨采推進期間，受采動影響導(dǎo)致大巷圍巖變形破壞，這種變形破壞的影響取決于圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力大小、巷道支護方式以及工作面推進速度等因素，因此通過記錄巷道變形隨時間變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以反向推出圍巖力學(xué)參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)信息[18-19,22]。近些年來三維激光掃描技術(shù)越來越多的被應(yīng)用在巖土工程與采礦工程領(lǐng)域。

2.2.1 三維激光掃描儀測試步驟

掃描儀采用美國天寶設(shè)計生產(chǎn)的Trimble FX 三維激光掃描儀，配套Trimble Real Works 軟件建?？缮?D/3D 圖像，進而分析巷道的變形情況。巷道變形的監(jiān)測步驟如下。

1）定位球標定位置，對-320 m 巖石大巷現(xiàn)場環(huán)境進行勘測并計算確定測點位置為破壞相對嚴重的地段。為確保每次監(jiān)測位置的一致性，設(shè)置2 個定位球作為參考依據(jù)，避免因外界因素變化影響監(jiān)測準確性。

2）由于巷道兩幫及頂板表面凹凸不平，試驗中準備多個標志球及強力黏合膠，將標志球固定到巷道上，當做目標靶點，為點云數(shù)據(jù)收集做準備。

3）激光掃描儀使用專用三腳架固定到測點位置，使三維掃描儀保持水平，并在正式掃描前使儀器轉(zhuǎn)動360°測試安裝的穩(wěn)定性，確保在數(shù)據(jù)采集過程中穩(wěn)定可靠。三維掃描儀布置圖如圖4。

圖4 三維掃描儀布置圖Fig.4 3D scanner layout

4）為準確直觀反映-320 m 巖石大巷受跨采采動影響的變形情況，在上覆工作面推進過程中對大巷測點每15 d 掃描1 次，共掃描4 次獲得T1、T2、T3、T4時刻的巷道點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Real Works 軟件后期處理建立的巷道三維成像模型如圖5。

圖5 三維成像模型圖Fig. 5 3D imaging model

2.2.2 巷道變形監(jiān)測結(jié)果

為方便對比大巷變形情況，取巷道內(nèi)架設(shè)的129#U 型鋼可伸縮支架為參照對象，通過對比支架的變形與位置變化就可得出跨采過程中大巷的變形位移情況，使用三維激光掃描儀對-320 m 大巷測點進行掃描所得的320 m 大巷斷面示意圖如圖6。

圖6 -320 m 大巷斷面示意圖Fig.6 -320 m roadway cross section

通過后期數(shù)據(jù)處理得到各時間點掃描的129#U型鋼支架成像圖（對比圖）如圖7，將4 次掃描所得的支架成像圖擬合處理。通過對比支架不同時刻成像截面圖可得：相對于第1 次掃描大巷底板向上分別抬升了77.2、253.6、287.4 mm，即產(chǎn)生明顯底鼓現(xiàn)象，巷道底板抬升量隨時間變化曲線圖如圖8。這與現(xiàn)場觀察到的大巷底鼓現(xiàn)象相一致。

圖7 129#U 型鋼支架成像圖（對比圖）Fig.7 129# U-shaped steel bracket imaging diagram（comparative picture）

3 巷道變形破壞的分析

圖8 巷道底板抬升量隨時間變化曲線圖Fig.8 Curve of the lift amount of the roadway floor over time

通過上述現(xiàn)場研究，從地質(zhì)雷達探測結(jié)果得出，大巷圍巖松動圈范圍較大且分布不規(guī)則，巷道兩幫的肩角處在受到跨采影響后出現(xiàn)明顯的裂隙帶，結(jié)合三維激光掃描儀的最終成像圖可知隨著上覆37111 工作面的推進，大巷頂板發(fā)生破壞出現(xiàn)裂隙使采空區(qū)積水沿裂隙流入大巷，并導(dǎo)致頂板巖層受水浸泡變軟膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時，上覆工作面的開挖導(dǎo)致垂直方向的應(yīng)力獲得釋放，使底板向上抬升，從而導(dǎo)致巷道發(fā)生了錯動位移，破壞了巷道原有應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致大巷發(fā)生變形破壞。

根據(jù)大巷圍巖變形情況，對于有類似情況的巷道，可以通過將U 型鋼可伸縮支架的排距從1 m 縮小為0.8 m，并使支架盡量貼合巷道頂板與兩幫使之達到最佳支護能力，從而保證底板大巷跨采期間的安全穩(wěn)定工作，這一方案在韋家溝煤礦現(xiàn)場試驗效果良好，可以推廣到有類似情況的巷道。

4 結(jié) 語

1）通過地質(zhì)雷達探測得出韋家溝-320 m 巖石大巷圍巖松動圈范圍在3.0～6.0 m，且巷道松動圈呈不規(guī)則分布，跨采后較跨采前大巷的兩肩角處裂隙區(qū)域明顯加大。

2）采用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建了韋家溝煤礦-320 m 巖石大巷三維模型圖，通過對比跨采前后三維模型變形圖，并結(jié)合現(xiàn)場觀測巷道周圍的淋水情況和巷道破壞點與工作面水平距離的大小，得出巷道破壞原因：受跨采采動影響，大巷上覆巖層發(fā)生裂隙破壞使采空區(qū)積水沿裂隙流入大巷周圍，導(dǎo)致巷道圍巖受水浸泡變軟膨脹，同時，上覆工作面的開挖使得垂直方向的應(yīng)力獲得釋放，導(dǎo)致大巷底板向上抬升，最終使巷道發(fā)生變形破壞。

3）研究表明極薄煤層跨采影響下的巷道變形較大，對于有類似情況的礦井建議將U 型鋼可伸縮支架的排距從1 m 減小為0.8 m；對類似條件下的新建大巷設(shè)計時應(yīng)適當增加巷道與煤層之間的間距。