望云煤礦15101運(yùn)輸順槽圍巖松動(dòng)圈測(cè)試分析與控制技術(shù)研究

靳 峰

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司15101工作面井田東區(qū)，工作面為井田東區(qū)15號(hào)煤層首采工作面，該煤層位于太原組下部K2灰?guī)r之下，上距9號(hào)煤層約41 m，煤層厚2.40～12.55 m，平均厚4.86 m，平均傾角為6°，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，含0～4層夾矸，單層矸石厚0.03～0.60 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

15101運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，巷道寬度×高度=4.0 m×4.0 m，現(xiàn)為保障巷道支護(hù)方案的合理性，特進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試分析與圍巖控制技術(shù)分析研究。

2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試分析

2.1 測(cè)試方案及數(shù)據(jù)分析

為監(jiān)測(cè)150101工作面運(yùn)輸順槽巷道的幫部圍巖破壞情況，采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀對(duì)運(yùn)輸順槽的4號(hào)測(cè)站進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試[1-2]，測(cè)站位置和測(cè)孔布置分別如圖2所示。

圖2 松動(dòng)圈測(cè)站測(cè)孔布置示意圖

如上圖所示，在運(yùn)輸順槽中距回風(fēng)大巷550 m處布置測(cè)站，該測(cè)站與下一個(gè)工作面的回風(fēng)順槽相鄰，因此需要對(duì)巷道幫部圍巖的破壞情況有詳細(xì)的了解，在該測(cè)站布置4個(gè)測(cè)孔，各測(cè)孔的具體測(cè)試結(jié)果如圖3和表1所示：

表1 4號(hào)測(cè)站松動(dòng)圈測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖3 運(yùn)輸順槽4號(hào)測(cè)站松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

分析圖3（a）可知，a號(hào)測(cè)孔中在1.6 m深度之前，聲波波速均小于在完整泥巖中的波速，在1.2 m處聲波波速突減至2 120 m/s，說(shuō)明此處存在離層；在1.8 m之后波速達(dá)到了聲波在完整煤層中的波速，說(shuō)明a號(hào)測(cè)孔的松動(dòng)圈范圍約為1.6 m。

分析圖3（b）可知，b號(hào)測(cè)孔的波速在1.4 m孔深前，波速小于完整煤層中的波速，在巷道圍巖1.4 m之后，波速突增，在1.6 m之后波速達(dá)到了聲波在完整煤層中的波速，但在1.8 m處波速有一明顯下降，說(shuō)明此處有離層存在，綜上，b號(hào)測(cè)孔的幫部圍巖松動(dòng)圈范圍約為1.4 m。

分析圖3（c）可知，c號(hào)測(cè)孔的波速在1.6m孔深之前的范圍內(nèi)，波速小于在完整煤層中的波速；在1.6m之后，波速突增，在1.6m之后波速達(dá)到了聲波在完整煤層中的波速，但在2.2m～2.4m范圍內(nèi)波速有所減小，說(shuō)明該范圍內(nèi)由少量裂隙存在，綜上，c號(hào)測(cè)孔的幫部圍巖松動(dòng)圈范圍約為1.6 m。

分析圖3（d）可知，d號(hào)測(cè)孔的波速在1.6 m孔深之前的范圍內(nèi)，波速小于在完整煤層中的波速；在1.6 m之后，波速突增，波速均達(dá)到了聲波在完整煤層中的波速，但在1.8～2.2 m范圍內(nèi)波速增加較大，說(shuō)明此處圍巖完整性較好，綜上，d號(hào)測(cè)孔的幫部圍巖松動(dòng)圈范圍約為1.6 m。

通過(guò)對(duì)4測(cè)站的4個(gè)波速變化圖進(jìn)行對(duì)比可以看出：a號(hào)測(cè)孔在孔口1.4 m范圍以內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高，且有離層存在；b號(hào)測(cè)孔在1.8 m處也有一離層存在，需加強(qiáng)支護(hù)；c號(hào)測(cè)孔波速變化較為平滑，說(shuō)明c號(hào)測(cè)孔內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育較為規(guī)律；d號(hào)測(cè)孔在1.8～2.2 m范圍內(nèi)波速增加較大，說(shuō)明此處圍巖完整性較好，圍巖裂隙發(fā)育也較為規(guī)律。

2.2 松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)超聲波測(cè)試儀的主要組成部分和常見(jiàn)介質(zhì)中聲波的傳播速度，基于測(cè)試結(jié)果可計(jì)算得出聲速值[3-5]，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知15101運(yùn)輸順槽中，在測(cè)孔不同深度處的聲波波速值的變化規(guī)律與軌道大巷處的變化規(guī)律相同，在孔深范圍小于1.6 m時(shí)，波速值小于完整煤層中的波速，且波動(dòng)較大；在孔深大于1.8 m至孔底范圍內(nèi)所有部位的波速值基本處于正常波速以上；據(jù)此可知150101工作面運(yùn)輸順槽處的兩幫松動(dòng)圈范圍約為1.6 m。

3 圍巖控制技術(shù)研究

3.1 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

根據(jù)15101工作面的地質(zhì)條件和圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，具體各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下:

1）頂板支護(hù)參數(shù)計(jì)算分析。頂板支護(hù)載荷集度、錨桿布置密度計(jì)算公式如下[6]：

式中:H為巷道高度，4.5 m；φ為巷幫煤及巖體內(nèi)摩擦角，26°；f為巖體普氏系數(shù)，8.20；b為巷道寬度的一半，2.5 m；γ為直接頂容重，27 kN/m3；h為直接頂損壞厚度，基于上述分析取為1.6 m；F為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取100 kN；q為載荷集度，60.62 kPa；K為安全系數(shù)，取1.2；K'為變形載荷系數(shù)取1.1；

頂錨桿布置間、排距：計(jì)算公式如下：

根據(jù)實(shí)體煤側(cè)運(yùn)輸順槽巷道斷面參數(shù)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取頂錨桿排距為1.2 m，間距為1.1 m。

錨桿長(zhǎng)度的確定：頂板錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式為[7]：

式中：l1為錨桿外露長(zhǎng)度；l2為錨桿有效長(zhǎng)度；l3為錨桿錨固長(zhǎng)度，m；根據(jù)地質(zhì)條件確定錨桿長(zhǎng)度為2.1 m。

2）運(yùn)輸順槽幫部支護(hù)參數(shù)分析：錨桿布置密度及間排距的計(jì)算公式如下[8]：

根據(jù)巷道斷面參數(shù)并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取幫錨桿間距為1.3 m。

綜上分析得出，15101運(yùn)輸順槽頂板支護(hù)采用的錨桿型號(hào)為φ20 mm×2 100 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 100 mm×1 200 mm，每根錨桿配用MSCKa2335和MSZ2360樹脂藥卷各1支。幫部支護(hù)采用的錨桿型號(hào)為φ20 mm×2 100 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 300 mm×1 200 mm，每根錨桿配用MSCKa2335和MSZ2360樹脂藥卷各1支。

3.2 支護(hù)方案

1）頂板控制:頂板采用Φ20 mm×L2 100 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼,間排距為1 100 mm×1 200 mm，預(yù)緊扭矩不低于250 N·m，錨桿采用MSCKa2335和MSZ2360各1支進(jìn)行錨固，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的自制扁鋼鋼板。金屬網(wǎng)采用12號(hào)鐵絲編制菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。

2）兩幫控制:兩幫采用左旋螺紋鋼錨桿（開采幫采用玻璃鋼纖維錨桿）配合12號(hào)菱形金屬網(wǎng)支護(hù)。錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 100 mm，錨桿間排距為1 300 mm×1 200 mm，預(yù)緊扭矩不低于250 N·m，錨桿采用MSCKa2335和MSZ2360各1支進(jìn)行錨固，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm自制扁鋼鋼板。金屬網(wǎng)采用12號(hào)鐵絲編制菱形金屬網(wǎng)。

具體15101運(yùn)輸順槽支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 15101運(yùn)輸順槽支護(hù)示意圖

3.3 效果分析

15101運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間，在滯后巷道掘進(jìn)迎頭2 m的位置處采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)分析，持續(xù)觀測(cè)1個(gè)月，得出圍巖變形量曲線圖見(jiàn)圖5。

圖5 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量曲線圖

分析圖5可知，15101運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間，在現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖變形主要出現(xiàn)之后掘進(jìn)迎頭0～50 m的范圍內(nèi)，隨著巷道掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，圍巖變形量大幅降低，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)迎頭60 m時(shí)，此時(shí)圍巖變形基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終巷道頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為28 mm和85 mm，圍巖控制效果較好。

4 結(jié)論

根據(jù)15101運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，通過(guò)進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試得出，運(yùn)輸順槽處的兩幫松動(dòng)圈范圍約為1.6 m；基于松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步通過(guò)圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，具體確定出巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案中的各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖控制效果好。