基于松動(dòng)圈測試的回采巷道圍巖分類研究

＊高林 劉鵬澤 張盼棟

（貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院 貴州 550025）

楓香礦區(qū)位于貴州省遵義縣西北部楓香鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，探明儲(chǔ)量達(dá)1.2億噸，是當(dāng)?shù)匕l(fā)展的主力軍。近年來其下屬煤礦隨著開采深度的不斷加大，煤礦開采過渡到深部開采，導(dǎo)致礦山壓力增大，原有支護(hù)方式支護(hù)效果不甚理想或雖基本滿足要求但阻礙了礦井安全高效開采。因此，在目前政策要求情況下，如何選擇巷道支護(hù)方式，確定巷道支護(hù)參數(shù)，使楓香礦區(qū)順利推行安全高效開采，已是擺在楓香礦區(qū)技術(shù)人員面前亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。已有研究表明[1]，松動(dòng)圈理論是指導(dǎo)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和分析錨桿作用機(jī)理的有效理論依據(jù)，特別是確定錨桿長度的主要依據(jù)，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。對松動(dòng)圈和圍巖進(jìn)行測量和分類是制定支護(hù)方案及確定支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)，也是確保楓香礦區(qū)安全穩(wěn)定開采最為關(guān)鍵的步驟。因此，精準(zhǔn)掌握楓香礦區(qū)巷道松動(dòng)圈大小，對判定圍巖類別、制定支護(hù)方案及確定支護(hù)參數(shù)乃至保障巷道支護(hù)安全可靠，從根本上防止煤礦安全事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。

1.采用松動(dòng)圈進(jìn)行圍巖分類的合理性

巷道開挖后，其圍巖的連續(xù)性和完整性遭到破壞，出現(xiàn)破碎變形，變形破壞從巷道表面圍巖一直向深部圍巖發(fā)育，直至重新恢復(fù)應(yīng)力平衡，此時(shí)巷道圍巖不再是一個(gè)連續(xù)的、完整的統(tǒng)一承載體，且在巷道周圍形成一個(gè)環(huán)狀破裂帶，稱其為松動(dòng)圈[1]。在現(xiàn)場，可用聲波儀、多點(diǎn)位移計(jì)等探測出圍巖中的這個(gè)破裂帶的厚度，稱為松動(dòng)圈值[5]，圍巖松動(dòng)圈厚度值（LP）除受圍巖強(qiáng)度、原巖應(yīng)力大小、巷道斷面大小、巷道斷面形狀、掘進(jìn)方式等多種因素的影響外，還與巷道的支護(hù)方式、支護(hù)參數(shù)有較大的關(guān)系，因此LP是一個(gè)多因素綜合指標(biāo)的體現(xiàn)，并且LP沒有作任何假設(shè)是由現(xiàn)場實(shí)測所得的，所以用LP進(jìn)行松動(dòng)圈圍巖分類所得的圍巖分類結(jié)果真實(shí)可靠。

2.松動(dòng)圈測試

圍巖松動(dòng)圈測試技術(shù)有超聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、電阻率法和滲透法、鉆孔探測法等[6-7]。其中鉆孔探測法與其它實(shí)測方法相比，測定圍巖松動(dòng)圈厚度值的連續(xù)性、直觀性和具體性更強(qiáng)，且成本較低。且近年來大量使用結(jié)果表明，鉆孔探測法中的探測儀設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡單、方便攜帶、性能可靠、操作簡便、測試結(jié)果準(zhǔn)確高，具有良好的性價(jià)比，是測定圍巖松動(dòng)圈范圍的理想儀器。

(1)測試方法

本次研究采用巖層鉆孔探測儀進(jìn)行觀測，對楓香礦區(qū)內(nèi)三對礦井的6條回采巷道的圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。

巖層鉆孔探測儀通過多次實(shí)測圖像的對比，可描述出巷道圍巖離層、錯(cuò)位、裂隙分布及破碎情況。探測儀主要組成部分有：高清微型探頭、信號(hào)線、圖像轉(zhuǎn)換器、光源、穩(wěn)壓電源、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼錄像設(shè)備、主機(jī)等，探頭通過一條信號(hào)線與數(shù)碼錄像設(shè)備連接以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送，并通過推送桿逐節(jié)連接后將探頭送入鉆孔內(nèi)進(jìn)行探測。具體使用操作為：在選定地點(diǎn)的巖層中鉆出不小于32mm的鉆孔，同時(shí)將孔內(nèi)巖石及煤粉等粉碎物用高壓水或風(fēng)沖洗干凈；探測頭與主機(jī)通過信號(hào)線傳送信號(hào)，將探頭推送桿逐節(jié)連接后將探頭插入鉆孔內(nèi)；將探頭、主機(jī)、電源通過信號(hào)線連接，將探頭安裝在推送桿上。安裝完畢后，打開主機(jī)顯示器的電源開關(guān)；用推送桿將探頭勻速推入鉆孔內(nèi)，直至孔底，探測結(jié)束。具體的測試步驟如下：

①在所選測站的兩幫和頂板打鉆孔，鉆孔的直徑以能使探頭自由出入為主，鉆孔深度要根據(jù)圍巖的破碎程度而定。鉆孔打好后，如鉆孔中有大量煤巖粉填在巖層的裂隙中，為了不影響探測效果，用高壓水沖凈或用風(fēng)槍吹出充填在裂縫中的巖煤粉，以使圖像采集結(jié)果清晰可見。

②由專人負(fù)責(zé)記錄，記錄測站及鉆孔的位置、鉆孔深度、及測量次數(shù)等。將探頭用推送桿送入鉆孔內(nèi)，直到探頭到達(dá)鉆孔盡頭為止。推送探頭期間從主機(jī)顯示器觀察孔壁變化，并在筆記本上記錄出現(xiàn)裂隙及破碎帶的時(shí)間及推入鉆孔的深度。

③測試完畢后，緩慢向外移動(dòng)攝像頭，間隔一定的距離記錄下采集圖像的時(shí)間，直到探頭拉出鉆孔口為止。

④當(dāng)攝像頭到達(dá)鉆孔口時(shí)，關(guān)閉記錄，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正確，將鏡頭擦拭干凈，蓋上鏡頭保護(hù)套，防止鏡頭受損，并準(zhǔn)備開始下一個(gè)鉆孔的測試。

⑤在實(shí)驗(yàn)室對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并進(jìn)一步處理，綜合分析得出回采巷道圍巖的破碎狀況及圍巖松動(dòng)圈厚度值（LP）。

(2)測站布置

根據(jù)現(xiàn)場考察，工作面回采期間，回采巷道受動(dòng)壓影響礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈段位于距離采煤工作面端頭0～25m范圍內(nèi)，由此推斷此范圍內(nèi)回采巷道圍巖松動(dòng)圈值應(yīng)該最大。因此，現(xiàn)場實(shí)測時(shí)主要將測點(diǎn)布置在回采巷道此范圍內(nèi)，以便可以測試出回采巷道回采期間動(dòng)壓影響下圍巖最大松動(dòng)圈值。各工作面回采巷道測站安設(shè)見圖1。

圖1 回采巷道圍巖松動(dòng)圈測站及測孔布置示意圖

(3)測試結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，各煤礦回采巷道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測值如表1所示。限于篇幅，此處只列舉A礦圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果。同時(shí)，根據(jù)“采動(dòng)巷道圍巖松動(dòng)圈分類”理論[3]，采動(dòng)巷道尤其是工作面回采巷道服務(wù)年限較短，使用要求與永久大巷相比相對較低，加之采動(dòng)巷道圍巖變形量小于靜壓非采動(dòng)巷道，因而采動(dòng)巷道圍巖類別劃分的界限應(yīng)略有提高。也就是說，采動(dòng)巷道應(yīng)用圍巖松動(dòng)圈分類方法時(shí)，所測得的動(dòng)壓作用條件下的最大松動(dòng)圈Lpd應(yīng)乘以一個(gè)折算系數(shù)k修正，然后再進(jìn)行分類。采動(dòng)巷道松動(dòng)圈折算值由式（1）求得。

表1 松動(dòng)圈值實(shí)測結(jié)果及修正值統(tǒng)計(jì)表

式中，L—采動(dòng)巷道松動(dòng)圈折算值；Lpd—實(shí)測采動(dòng)巷道松動(dòng)圈數(shù)值；k—采動(dòng)巷道松動(dòng)圈折算系數(shù)，其值與工作面推進(jìn)速度有關(guān)，初步建議取k=0.82～0.92，工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)取上限k=0.92，工作面推進(jìn)速度較快時(shí)（高產(chǎn)高效工作面）取下限k=0.82。

因此，數(shù)據(jù)處理過程中對6條回采巷道實(shí)測得的松動(dòng)圈值進(jìn)行修正。根據(jù)三對礦井工作面回采情況及推進(jìn)速度，修正系數(shù)k取0.92。具體修正結(jié)果見表1。

3.測試結(jié)果分析

整理分析表1數(shù)據(jù)，可以得出：

（1）A礦同樣距離采煤工作面上下端頭10m處，回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈最大為1.67m，運(yùn)輸巷圍巖松動(dòng)圈最大為1.36m。

（2）B礦10701工作面運(yùn)輸巷距離采煤工作面端頭10m、20m、30m處圍巖松動(dòng)圈最大值分別為1.25m、1.13m、1.10m。

（3）C礦10401工作面回風(fēng)巷測站1處，頂板圍巖松動(dòng)圈值為1.40m，兩幫圍巖松動(dòng)圈最大值為1.24m。

綜合上述研究結(jié)論可得，楓香礦區(qū)回采巷道圍巖松動(dòng)圈的厚度沿兩幫從幫底向上逐漸增大，在巷道頂部處達(dá)到最大，因此確定圍巖松動(dòng)圈大小的變化規(guī)律大致如圖2所示。同時(shí)根據(jù)以上測試結(jié)果及分析得出，楓香礦區(qū)回采巷道在回采期間圍巖松動(dòng)圈折算值（LPo）最小為0.77m，最大為1.67m。對照巷道松動(dòng)圈圍巖穩(wěn)定性分類表1，屬于中～大松動(dòng)圈，圍巖類別屬于Ⅲ（一般圍巖）～Ⅳ（一般不穩(wěn)定圍巖）類。

圖2 楓香礦區(qū)回采巷道圍巖松動(dòng)圈預(yù)測圖

4.結(jié)論

（1）同一煤礦回采工作面中與采煤工作面上下端頭距離相同處，回風(fēng)巷松動(dòng)圈值要比運(yùn)輸巷松動(dòng)圈值大。

（2）同一回采巷道圍巖松動(dòng)圈測試段，距離采煤工作面越近，松動(dòng)圈值越大。

（3）同一測站處，頂板圍巖松動(dòng)圈值一般比兩幫圍巖松動(dòng)圈值大。

（4）楓香礦區(qū)內(nèi)代表性礦井回采巷道在回采期間圍巖松動(dòng)圈屬于中～大松動(dòng)圈，圍巖類別屬于Ⅲ（一般圍巖）～Ⅳ（一般不穩(wěn)定圍巖）類。