沿空留巷頂板覆巖二次采動裂隙實(shí)測分析

高永格，張 強(qiáng)，牛 矗，張 開

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000）

0 引 言

沿空留巷技術(shù)為我國煤礦開采帶來更加有利的技術(shù)優(yōu)勢與經(jīng)濟(jì)效益，是無煤柱護(hù)巷方式的一項(xiàng)重大突破［1］。 我國學(xué)者從不同角度和不同方式對其進(jìn)行大量研究。 文獻(xiàn)［2－3］對沿空留巷Y 型通風(fēng)提供了新的思路，文獻(xiàn)［4－5］通過對沿空留巷頂板覆巖的力學(xué)分析，提出了高阻讓壓支護(hù)來應(yīng)對開采時(shí)覆巖的應(yīng)力變化，李化敏等［6］確立了巷旁充填體支護(hù)阻力的控制與設(shè)計(jì)原則，文獻(xiàn)［7－8］對沿空留巷頂板傳遞承載機(jī)制進(jìn)行了闡述。 由于煤礦地質(zhì)條件的差異性與復(fù)雜性，沿空留巷的頂板覆巖與其所受應(yīng)力特性也截然不同。 文獻(xiàn)［9－10］對薄煤層無巷旁充填沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了研究，改良并簡化了支護(hù)方式與施工工藝，文獻(xiàn)［11－13］對薄煤層快速沿空留巷技術(shù)進(jìn)行探索，改進(jìn)了頂?shù)装咫p軟型薄煤層快速沿空留巷的支護(hù)方式，何東升等［14］對中厚煤層沿空留巷無煤柱開采技術(shù)與圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了分析，提出多種支護(hù)方式以提高圍巖強(qiáng)度，減少頂板下沉，文獻(xiàn)［15－16］對厚煤層沿空留巷圍巖技術(shù)與破壞變形進(jìn)行研究，采用高水材料與支護(hù)相結(jié)合的方式減少圍巖變形。 研究圍巖穩(wěn)定性是探索沿空留巷有效支護(hù)的關(guān)鍵因素，在我國現(xiàn)有文獻(xiàn)中，系統(tǒng)研究現(xiàn)場監(jiān)測的較少。

筆者以云駕嶺煤礦為背景通過使用ZXZ20（A）型礦用鉆孔成像裝置，研究開采引起的厚松散層下沿空留巷上方覆巖裂隙分布規(guī)律。 鉆孔窺視儀所輸出的圖像可精確描述煤巖體上方覆巖破斷的狀態(tài)與裂隙的發(fā)育。 通過對12307 工作面回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷不同位置進(jìn)行鉆孔探測，觀察并分析一次采動覆巖裂隙發(fā)育和二次采動覆巖裂隙發(fā)育，了解了工作面頂板覆巖變化規(guī)律，為沿空留巷圍巖支護(hù)及采場安全開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 測點(diǎn)布設(shè)

云駕嶺煤礦松散層厚度較大、采高大［17－20］，第四系松散層的平均厚度一般為90 ～150 m，平均為120 m，其開采煤層為2 號煤層，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角17°，平均開采深度580 m。 在12307 工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷指定位置采用ZXZ20（A）型礦用鉆孔成像裝置進(jìn)行觀測。 此裝置分別由ZXZ20（A）－Z 鉆孔成像裝置主機(jī)、ZXZ20（A）－T 鉆孔成像裝置探頭（?28 mm）、ZXZ20－S 鉆孔成像裝置深度編碼器及若干附件（電纜絞車、視頻電纜、推送桿）組成。

在現(xiàn)場使用時(shí)，需操作推桿把探頭推至被測鉆孔內(nèi)部，其內(nèi)部情況可通過成像裝置主機(jī)的顯示器直觀監(jiān)測到，成像中有鉆孔所在的深度信息。 通過USB 數(shù)據(jù)傳輸口可將儀器在鉆孔內(nèi)測得的數(shù)據(jù)傳送到電腦上用于下一步的數(shù)據(jù)觀察、討論總結(jié)。

測點(diǎn)布置如圖1 所示，沿走向在12307 工作面回風(fēng)巷布置1、2、3 號測點(diǎn)。 方便觀察巷道在二次采動影響下，直接頂與基本頂?shù)牧严秷霭l(fā)育特征。 沿走向在12307 工作面的運(yùn)輸巷布置4、5、6 號測點(diǎn)。便于測定巷道受到超前支承壓力作用時(shí)覆巖裂隙的發(fā)育特征。 直接頂?shù)钠骄穸燃s為2 m，基本頂?shù)钠骄穸燃s為4 m，根據(jù)實(shí)際需要，每個(gè)孔深約為10 m，孔徑為32 mm。

圖1 監(jiān)測鉆孔布設(shè)Fig.1 Monitoring borehole layout diagram

2 測試結(jié)果分析及鉆孔裂隙發(fā)育情況

2.1 1 號鉆孔觀察結(jié)果及分析

1 號測點(diǎn)位于回風(fēng)巷側(cè)工作面前10 m，監(jiān)測孔深為9.04 m。 1 號鉆孔監(jiān)測不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征如圖2 所示。 由圖2b—圖2e 可得，巖層受多次采動影響，監(jiān)測孔內(nèi)裂隙發(fā)育存在4 種形式。 由于1 號測點(diǎn)位置頂板受到多次采動影響，上覆巖層完整性較差，在頂板上方0～5 m 內(nèi)裂隙充分發(fā)育并且在0～2 m 內(nèi)裂隙交替分布，巖層破碎度極高；在2～5 m 內(nèi)離層分布較多且均勻，并且在3 m 處與4.2 m處離層現(xiàn)象明顯；在5 m 處裂隙依舊存在，8.2 m處出現(xiàn)離層現(xiàn)象。 由此可知，二次采動對頂板影響較大，并且會讓圍巖破碎度增加。

圖2 1 號鉆孔不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.2 Strata fracture characteristics of No.1 drilling in different depth

2.2 2 號鉆孔觀察結(jié)果及分析

2 號鉆孔測點(diǎn)位于回風(fēng)巷側(cè)工作面前方60 m，監(jiān)測孔深為10.05 m。 2 號鉆孔監(jiān)測不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征如圖3 所示。

圖3 2 號鉆孔監(jiān)測不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.3 Strata fracture characteristics of No.2 drilling in different depth

由圖3 可得，在頂板上方0 ～5 m 內(nèi)破碎程度較大，裂隙充分發(fā)育；在5～9 m 內(nèi)只出現(xiàn)少量裂隙；在9～10 m 有明顯的離層現(xiàn)象并且該巖層較為完整。由此可知，巷道頂板雖然受到二次采動影響，并且基本頂破壞程度巨大，但是在頂板5 m 以上的巖層完整性仍然完好。

2.3 3 號鉆孔觀察結(jié)果及分析

3 號鉆孔測點(diǎn)位于回風(fēng)巷側(cè)工作面前方110 m處。 由于在導(dǎo)桿探測過程中，探頭受到破碎巖體的阻滯，為了保護(hù)探頭以便進(jìn)行下一步工作，因此3 號鉆孔監(jiān)測深度在6.66 m 處終止。 鉆孔所處的巷道頂板巖層經(jīng)歷了12305 工作面采動影響及留巷期間圍巖變形2 個(gè)階段。 3 號鉆孔監(jiān)測不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征如圖4 所示。

圖4 3 號鉆孔監(jiān)測不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.4 Strata fracture characteristics of No.3 drilling in different depth

由圖4 可得，3 號鉆孔覆巖十分破碎，在0 ～3.2 m 內(nèi)裂隙發(fā)育十分充分，并且?guī)r層的整體破碎程度極高；3.2～6.6 m 橫向裂隙較多，6.2 m 以上雖有離層現(xiàn)象，但巖層離層較少。 由此可知，經(jīng)過12305 工作面采動的作用和留巷時(shí)的圍巖變形這兩次影響，巷道頂板巖層在一定的區(qū)間內(nèi)存在著嚴(yán)重的破碎和裂隙發(fā)育。

2.4 4 號鉆孔觀察結(jié)果及分析

4 號鉆孔測點(diǎn)位于運(yùn)輸巷側(cè)工作面前方10 m，監(jiān)測孔深為9.84 m。 本測點(diǎn)主要與1 號測點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行對比分析。 在與1 號測點(diǎn)作對比后可知，4號測點(diǎn)主要受到12307 工作面的超前支承壓力的作用。 如圖5 即鉆孔柱狀展開圖以及鉆孔不同深度的橫截面。

由圖5 可得，測點(diǎn)上方巖層的裂隙發(fā)育程度很小，在頂板上方0 ～2.5 m 只可以觀察到少量的裂隙，相對于1 號鉆孔的觀察結(jié)果，其巖石的結(jié)構(gòu)完整性很好。 由此可知，在井下支護(hù)時(shí)，為了避免所做措施失效，掘進(jìn)時(shí)的錨索長度應(yīng)大于2.5 m。

圖5 4 號鉆孔監(jiān)測不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.5 Different strata fracture characteristics of No.4 drilling monitoring depth

2.5 5 號鉆孔觀察結(jié)果及分析

5 號鉆孔測點(diǎn)位于運(yùn)輸巷側(cè)工作面前方30 m 處，監(jiān)測孔深為13.41 m，巷道上方巖層受一次采動影響較多。 5 號鉆孔不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征如圖6 所示。

由圖6 可得，只有在頂板上方巖層0 ～2.8 m 發(fā)育有少量的裂隙，整體來看，巖層的完整性較好。

圖6 5 號鉆孔不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.6 Different strata fracture characteristics of No.5 drilling monitoring depth

2.6 6 號鉆孔觀察結(jié)果及分析

6 號鉆孔測點(diǎn)位于運(yùn)輸巷側(cè)工作面前方60 m。監(jiān)測深度12.95 m，此測點(diǎn)上方巖石雖然同樣受到一次采動影響，但是影響范圍小，只有巖層淺部有輕微破碎，總體完整性好。 6 號鉆孔不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征如圖7 所示。

由圖7 可得，鉆孔范圍內(nèi)淺部壁面裂隙較多，深部巖層較為完整。 在頂板上方0 ～0.36 m 發(fā)育裂隙較多，由于鉆孔所在位置巖層有弱結(jié)構(gòu)面，所以在0.64 m 處可以清晰地看到1 條裂隙，并且在1.74 ～7.94 m 巖石較為粗糙。

圖7 6 號鉆孔不同深度覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.7 Different strata fracture characteristics of No.6 drilling monitoring depth

3 不同測點(diǎn)覆巖移動規(guī)律

3.1 4 號與6 號鉆孔覆巖移動分析

4 號鉆孔位于工作面前方10 m 位置，受超前支承壓力峰值的影響，6 號鉆孔所在位置距離工作面較遠(yuǎn)，基本未受到采動影響，因此對比分析這2 個(gè)鉆孔裂隙發(fā)育情況，便于了解一次采動對巷道不同位置頂板的影響。

4 號鉆孔在頂板以上0～2.5 m 覆巖裂隙發(fā)育充分，2.5 m 以上巖層完整性較好，僅存在部分層間原生裂隙；6 號鉆孔壁面整體完整性較好，從觀測開始到結(jié)束，鉆孔壁面并未受到較嚴(yán)重破壞。 可見一次采動對巷道不同位置的頂板影響不同，受超前支承壓力影響，靠近工作面位置頂板破壞較嚴(yán)重，主要集中在淺部2 m 范圍以內(nèi)，對頂板深部基本無影響。

3.2 4 號與3 號鉆孔覆巖移動分析

4 號鉆孔所在位置頂板主要經(jīng)歷一次采動影響。 3 號鉆孔位于工作面回風(fēng)巷超前工作面110 m處，鉆孔所在位置頂板已經(jīng)經(jīng)歷上一個(gè)工作面采動、留巷期間頂板上覆基本頂斷裂回轉(zhuǎn)、頂板下沉等影響。 對比分析這2 個(gè)鉆孔裂隙發(fā)育情況，便于了解留巷期間上覆巖層一系列活動對巷道頂板的影響。

4 號鉆孔僅在頂板以上0～2.5 m 覆巖裂隙發(fā)育充分，2.5 m 以上巖層完整性較好，僅存在部分層間原生裂隙。 3 號鉆孔覆巖整體完整性較差，其中，0～3.2 m 裂隙發(fā)育較充分，巖層整體較為破碎，3.2 ～6.6 m 層間橫向裂隙較多，在6.2 m 深處存在離層現(xiàn)象。 可見受一次采動及留巷后巷道頂板上覆巖層活動的影響，不僅對巷道頂板淺部巖層破壞較大，對巷道頂板深部巖層也有較大影響，淺部裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通，巖層層面進(jìn)一步破碎，深部巖體裂隙進(jìn)一步發(fā)育。

3.3 1 號與3 號鉆孔覆巖移動分析

1 號鉆孔位于工作面回風(fēng)巷超前工作面10 m處，鉆孔所在位置頂板經(jīng)歷上一工作面一次采動、留巷期間巷道頂板上覆基本頂斷裂回轉(zhuǎn)、頂板整體下沉及受下一個(gè)工作面二次采動影響。 3 號鉆孔所在位置頂板已經(jīng)經(jīng)歷上一個(gè)工作面采動、留巷后頂板上覆基本頂斷裂回轉(zhuǎn)、頂板整體下沉等影響。 對比分析這兩個(gè)鉆孔裂隙發(fā)育情況便于了解二次采動對巷道不同位置頂板的影響。

1 號鉆孔相對于3 號鉆孔，鉆孔壁面裂隙進(jìn)一步發(fā)育，巖層在淺部區(qū)域破碎加劇，在3～9 m 出現(xiàn)6條明顯離層，巷道頂板下沉量增大；3 號鉆孔覆巖在0～3 m 裂隙發(fā)育，巖層整體較為破碎，3～6.6 m 層間橫向裂隙較多，在6.2 m 深處出現(xiàn)離層現(xiàn)象，但離層較小。 可見二次采動對巷道頂板產(chǎn)生影響，范圍主要也集中在頂板淺部巖層，但隨著距離工作面位置不同，對頂板巖層的影響程度不同。

3.4 1 號與4 號鉆孔覆巖移動分析

1 號鉆孔位于工作面回風(fēng)巷超前工作面10 m處，鉆孔所在位置頂板經(jīng)歷采動影響、留巷期間圍巖變形及工作面采動超前支承壓力影響。 4 號鉆孔位于運(yùn)輸巷側(cè)工作面前方10 處，鉆孔所在位置頂板主要經(jīng)歷一次采動影響。 2 個(gè)鉆孔雖然位置對應(yīng)，但頂板所受采動影響經(jīng)歷不同。

1 號鉆孔上覆巖層完整性差，頂板以上2 m 內(nèi)巖層裂隙發(fā)育充分，呈縱橫交錯(cuò)或破碎狀分布；2 m到5 m 間橫向裂隙及離層發(fā)育較多，5 m 以深仍存在少量裂隙；4 號鉆孔僅在頂板以上0 ～2.5 m 覆巖裂隙發(fā)育充分，2.5 m 以上巖層完整性較好，僅存在部分層間原生裂隙。 可見受多次采動的影響導(dǎo)致頂板的破壞進(jìn)一步加劇。

4 結(jié) 論

1）留巷前，工作面一次采動主要對巷道頂板淺部巖層影響較大，主要影響范圍在巷道頂板淺部2 m以內(nèi)。

2）留巷期間巷道頂板上覆巖層破斷回轉(zhuǎn)，基本頂下沉對巷道頂板淺部巖層影響較大，引起巷道圍巖發(fā)生劇烈變形，使巷道頂板裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通，造成巖層層面進(jìn)一步破碎，深部巖體裂隙進(jìn)一步張開與發(fā)育，回風(fēng)巷對應(yīng)運(yùn)輸巷同一位置頂板更加破碎，頂板變形加大。

3）二次采動加大了對巷道頂板的破壞，淺部巖層破碎加劇，頂板的裂隙發(fā)育進(jìn)一步加大，頂板離層增多下沉量大，主要影響范圍為頂板以上4 m 范圍以內(nèi)，4 m 以外范圍影響較小。