瓦斯抽采鉆孔對巷道圍巖松動圈的影響研究

申李華

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

圍巖松動圈的測試是選擇巷道支護(hù)方案和圍巖穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)對巷道圍巖松動圈進(jìn)行了大量研究。董方庭等[1]初步建立了巷道圍巖松動圈支護(hù)理論、分類方法和錨噴支護(hù)機(jī)理等三個有機(jī)部分，并進(jìn)行了大面積推廣和繼續(xù)完善理論等技術(shù)工作。李宏業(yè)等[2]對龍首礦4102回風(fēng)巷距離回采工作面前方45 m、60 m、75 m、90 m和105 m處的煤壁進(jìn)行巷道圍巖松動圈測試，并且對比了巷道支護(hù)圍巖松動圈分類表，確定了圍巖特性。方冉等[3]對直墻等各種拱形斷面進(jìn)行了多樣本的測試分析，界定巷道松動的范圍和界限，統(tǒng)計分析了各種類型巷道圍巖松動圈的范圍，揭示了它的發(fā)育規(guī)律，并且對巷道支護(hù)方案提供了技術(shù)依據(jù)。楊占國等[4]分析了高應(yīng)力半煤巖異形巷道圍巖塑性區(qū)變化發(fā)展趨勢，并且對高應(yīng)力半煤巖異形巷道的結(jié)構(gòu)變形機(jī)制進(jìn)行了研究。根據(jù)相關(guān)學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[5-8]：在同一水平巖石強(qiáng)度越大松動圈越小，在不同水平、同一巖層，埋深越大松動圈越大，受采動影響后松動圈明顯變大；在巖石強(qiáng)度不變時，原巖應(yīng)力的增加，松動圈將隨之增大。影響圍巖松動圈的主要因素包括圍巖應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、采深、礦井開采臨界深度、采動次數(shù)及支護(hù)強(qiáng)度[9-12]。

鑒于此，文章以王莊煤礦9105運(yùn)巷為背景，研究了瓦斯抽采孔對巷道圍巖松動圈的影響，對王莊煤礦煤巷圍巖錨網(wǎng)支護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

9105工作面位于王莊煤礦91采區(qū)，主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.8 m，煤層夾矸厚度0.35 m，煤層傾角3～7°，煤的普氏系數(shù)f為1～1.5，屬于中硬煤層，埋深約450 m。煤層瓦斯壓力為0.3～0.48 MPa，瓦斯含量為9.89 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.010 6～0.073 4 m2/(MPa2·d)，屬于高瓦斯低透氣性煤層。煤層開采前，需要布置高抽巷進(jìn)行瓦斯抽采。

9105運(yùn)巷設(shè)計長度3 350 m，沿煤層底板掘進(jìn)；巷道斷面為矩形斷面，尺寸為5.5 m×3.6 m，直接頂為2.0 m厚的泥巖，老頂為14.0 m厚的中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，直接底為1.8 m厚的泥巖，老底為2.0 m厚的粉砂巖。

1.2 工程概況

9105運(yùn)巷支護(hù)方式是:錨桿間排距為850 mm×900 mm，錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿；錨索規(guī)格為D22 mm×9 300 mm，間排距為2 000 mm×1 800 mm；鋪設(shè)金屬網(wǎng)和D14 mm×5 300 mm×80 mm圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×12 mm的托板。

瓦斯抽采孔參數(shù)布置情況：9105運(yùn)巷兩幫部各布置一排鉆孔，瓦斯抽采鉆孔直徑為120 mm，傾角為-5～2°，鉆孔施工長度為180 m，鉆孔封孔長度為20 m，鉆孔間距為3.0 m。

瓦斯抽采情況：9105運(yùn)巷瓦斯抽采孔于2015年10月開始布置，截至2019年8月位置進(jìn)行不間斷抽采。抽采負(fù)壓18 kPa，末期的抽采濃度在3%～18%之間，根據(jù)實(shí)際情況，9105工作面采前預(yù)抽孔抽為6 m3/min。

監(jiān)測結(jié)果顯示，在工作面回采過程中巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，對煤炭資源高效開采存在較大的安全隱患。

2 測 試

2.1 測試原理

9105運(yùn)巷圍巖松動圈測試實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，來預(yù)測圍巖的破壞情況。根據(jù)彈性理論，由彈性波的波動方程通過彈性力學(xué)空間問題的靜力方程推導(dǎo)，可得出超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系。

式中：VS為巖體的橫波速度；E為巖體的彈性模量；μ為巖體的泊松比；ρ為巖體的密度。

2.2 測試設(shè)備及測試方法

9105運(yùn)巷松動圈測試采用山東昊洲礦業(yè)安全裝備有限公司生產(chǎn)的CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀(又名超聲波圍巖松動檢測儀)，為單孔測試法，如圖1所示。本儀器用于探測圍巖松動、裂隙范圍，為井巷設(shè)計與施工提供科學(xué)依據(jù)，儀器為礦用本質(zhì)安全型?？捎糜谕咚沟V井、金屬礦井、隧道及地下工程圍巖定性評析，是國內(nèi)目前探測圍巖松動圈、國巖裂隙最先進(jìn)最有科學(xué)依據(jù)的儀器。

圖1 CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀

該儀器是發(fā)射和接收超聲波縱波波速的儀器，縱波速度是通過測定鉆孔中的一定距離(探頭長度)圍巖的超聲波傳播時間計算出來的。發(fā)射換能器F在鉆孔中發(fā)射超聲波，沿鉆孔壁滑行傳播。發(fā)射換能器F發(fā)射超聲波的同時觸發(fā)計時電路計時，當(dāng)接收換能器J收到的超聲波信息后停止計時，儀器主機(jī)顯示測出的是聲波在F-J間的傳播時間，由此可計算出該段孔壁處縱波傳播的波速見式(1)。由此，不同巖性及不同破碎程度的圍巖其縱波傳播的波速不同，通過測試可以計算出來。

(1)

式中：l為換能器F-J間距，l=0.14 m；t為測試時間數(shù)據(jù)，單位為μs。

當(dāng)在軟巖或煤層中測試時，因聲波衰減較快，接收到的可能不是首波信號，其讀數(shù)可能偏大1～4周期(t=33 μs)，以此計算出的波速已不準(zhǔn)確 ，但對圍巖裂隙(松動)的范圍的判斷無影響。

本儀器采用單孔測試法，測孔鉆成后及時進(jìn)行測試，沒有出現(xiàn)測孔變形或坍塌現(xiàn)象，測試前用壓力水沖洗每個測孔，把測孔中的煤巖粉沖洗干凈，耦合方式是采用水來進(jìn)行耦合。智能聲波檢測儀連接探頭通電預(yù)熱后，用推桿將探頭送入孔底，然后緩慢地拉動推桿將探頭，向外每移動10 cm讀一次聲時，直到孔口為止。在探測過程中，為避免某一點(diǎn)巖石破碎狀態(tài)以及井下很多因素帶來的影響，選擇具有普遍代表意義的點(diǎn)用來測量。

2.3 測試方案

測試地點(diǎn)選擇9105運(yùn)巷兩幫部，布置3個測站(圖2(a))，每個測站左右?guī)透鞑贾?個測點(diǎn)(左幫為9105工作面幫，右?guī)蜑閷?shí)體煤幫)，測站間距50 m。每個測點(diǎn)布設(shè)2個測孔(圖2(b))，每測點(diǎn)處的測孔分別為距瓦斯抽采孔水平距離0.3 m和距瓦斯抽采孔水平距離1.5 m(瓦斯抽采孔間距為3.0 m，孔徑為120 mm)。測孔直徑為44～48 mm，孔深3.2 m，距幫部底板高1.4 m，角度為水平向下3～5°。

圖2 9105運(yùn)巷松動圈測試鉆孔布置

3 測試結(jié)果分析

3.1 距瓦斯抽采孔0.3 m時結(jié)果分析

圖3、圖4分別為9105運(yùn)巷距離瓦斯抽采孔水平距離約0.3 m處左右?guī)蜏y站超聲波傳播速度，其中圖3為工作面幫(左幫)的煤體超聲波傳播速度大多數(shù)在100～1 000 m/s之間跳躍，三個測孔的波速變化幅度較??；而實(shí)體煤(右?guī)?在此范圍內(nèi)煤體超聲波在100～2 000 m/s范圍內(nèi)變化，且不同測站之間測孔波速變化較大。由此表明，9105運(yùn)巷距瓦斯抽采孔0.3 m處，工作面幫煤體松動破壞程度較大，實(shí)體煤幫松動破壞程度相對較小，但左右?guī)兔后w松動破壞程度差別不大；從9105運(yùn)巷礦壓監(jiān)測結(jié)果來看，工作面幫煤壁變形量比實(shí)體煤幫大，與其兩幫松動破壞程度相一致。

圖4 9105運(yùn)巷右?guī)蜏y站超聲波傳播速度

3.2 兩瓦斯抽采孔中間位置結(jié)果分析

圖5、圖6分別為9105運(yùn)巷兩瓦斯抽采孔中間位置左右?guī)蜏y站超聲波傳播速度，其中圖5為工作面幫的煤體超聲波傳播速度大多數(shù)在800～1 500 m/s之間跳躍，三個測孔的波速變化幅度較小；實(shí)體煤在此范圍內(nèi)煤體超聲波在1 000～2 000 m/s范圍內(nèi)變化，且不同測站之間測孔波速變化也較大。由此表明，9105運(yùn)巷在兩瓦斯抽采孔中間位置處煤體松動破壞程度工作面?zhèn)让后w大于實(shí)體煤測，但與距瓦斯抽采孔0.3 m距離煤體松動破壞程度相比，其破壞程度明顯降低。

圖5 9105運(yùn)巷左幫測站超聲波傳播速度

圖6 9105運(yùn)巷右?guī)蜏y站超聲波傳播速度

4 錨桿支護(hù)下瓦斯抽采孔布置對策

從松動圈測試結(jié)果來看，瓦斯抽采鉆孔布置對巷道幫部煤體松動破壞程度影響較大，嚴(yán)重影響了巷道錨桿支護(hù)效果，增加了巷道支護(hù)成本。因此，在布置瓦斯抽采鉆孔時，必須考慮瓦斯抽采鉆孔對巷道錨桿支護(hù)的影響，其控制對策有以下兩點(diǎn)：

1) 明確抽采鉆孔在煤體中的塑性破壞范圍。不同孔徑的瓦斯抽采鉆孔在礦山壓力的作用下發(fā)生變形破壞，在一定程度上影響煤體完整性。

2) 瓦斯抽采鉆孔布置盡可能遠(yuǎn)離錨桿所在位置：①將瓦斯抽采鉆孔布置在同一水平兩錨桿中間位置；②將瓦斯抽采鉆孔布置在周圍四根錨桿中間位置。

5 結(jié) 語

1) 通過王莊煤礦9105運(yùn)巷煤體超聲波松動破壞測試，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采孔布置對煤體塑性破壞造成一定的影響，在兩瓦斯抽采孔中間位置處煤體塑性破壞范圍工作面?zhèn)让后w大于實(shí)體煤測，但與距瓦斯抽采孔0.3 m距離的煤體相比，其塑性破壞范圍明顯降低。

2) 提出了巷道錨桿支護(hù)條件下，瓦斯抽采鉆孔布置對策，對錨桿支護(hù)巷道瓦斯抽采鉆具有重要的指導(dǎo)意義。