工作面頂板安全狀況鉆孔窺測分析

胡穎棟,張玖莘,張 帆,趙 琪

(1.山西潞安礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 古城煤礦,山西 長治 046000;2.華北科技學(xué)院,北京 101601;3.沈陽焦煤股份有限公司 西馬煤礦,遼寧 沈陽 110000)

在巷道支護中,頂板和兩幫的圍巖塑性區(qū)對支護參數(shù)和支護方案的選擇影響非常明顯,如果支護深度小于塑性區(qū)范圍,那么支護效果將大打折扣?？梢?在巷道選擇支護參數(shù)時,塑性區(qū)對支護效果意義重大。為掌握某工作面頂板狀況,在巷道掘支前分析其頂板狀況。但由于巷道施工和井下生產(chǎn)的復(fù)雜性,采用理論計算和數(shù)值模擬等方法確定巷道圍巖塑性區(qū)的精度都不是很高,采用現(xiàn)場實測的方法是精度最高的。本文的現(xiàn)場實測方法采用的是鉆孔窺視,在屏幕上即可看到孔壁、孔底的情況。

1 測試儀器

在現(xiàn)場應(yīng)用過程中,選擇的觀測儀器是YTJ20鉆孔窺視儀,如圖1所示。該儀器由探頭、探桿、控制器、電源(本安型電源)、顯示器5部分組成。在探頭處可以實時調(diào)節(jié)孔內(nèi)亮度,實現(xiàn)精細(xì)化分析;根據(jù)不同的探測任務(wù)和探測目的進行選擇探桿的長度;顯示器上可以看到煤壁的破碎和完整狀態(tài),同時顯示出此時探頭的深度。該鉆孔窺視儀的工作流程和原理如圖2所示。

圖1 YTJ20鉆孔窺視儀

圖2 電子窺視儀結(jié)構(gòu)框圖

2 測點布置及窺視

在臨近工作面軌道巷內(nèi),施工鉆孔可掌握15煤的頂板巖層概況。在臨近工作面軌道巷內(nèi)總共施工2個窺視孔,具體施工位置:窺視孔1:距離臨近工作面軌道巷與輔運下山交叉100 m處巷道中部,目的是探明工作面近處的頂板巖層概況,窺視孔深度約為10 m.窺視孔2:距離外切眼50 m處巷道中部,目的是探明工作面深處的頂板巖層概況,窺視孔深度約為10 m.位置詳情如圖3所示。

圖3 頂板窺視孔布置示意(單位:m)

2019年5月7日至2019年5月18日,在臨近工作面軌順兩個具有不同特征的位置,分別向頂板垂直鉆孔進行了窺視。

在鉆孔觀測過程中,實時記錄重點區(qū)域的觀測成果,根據(jù)煤壁的破碎情況選擇觀測速度和觀測角度,并對整個觀測過程的實時狀態(tài)進行錄像,記錄鉆孔內(nèi)影響資料,為后續(xù)對比分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也能對應(yīng)分析煤頂板結(jié)構(gòu)分布及破壞情況,掌握采掘過程中頂板的動態(tài)變化過程。

3 窺視結(jié)果及分析

3.1 窺視孔1頂板窺視分析

在鑫源煤礦井下臨近工作面軌順巷道中,進行了鉆孔結(jié)構(gòu)觀察。在觀測過程中記錄下了頂板的破碎狀況,為使得結(jié)果的直觀性對窺測結(jié)果中具有代表性的位置進行截圖。窺測孔1觀測結(jié)果如圖4所示,截取了不同深度的煤頂板裂隙和節(jié)理分布特征和形狀。

圖4 窺視孔1部分深孔窺視圍巖裂隙結(jié)果

從觀測結(jié)果可以看出,在距離臨近工作面軌道巷與輔運下山交叉100 m處巷道頂板中部,頂板巖層內(nèi)未出現(xiàn)明顯的破碎帶,僅在深度為0～3 m范圍內(nèi),局部出現(xiàn)節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu),且節(jié)理多為豎向節(jié)理,巖層與巖層的交界面上無明顯的離層現(xiàn)象。窺視孔1觀測表明,距離工作面膠帶巷開口較近的巷段,頂板巖層強度和完整性較好。

3.2 窺視孔2頂板窺視分析

窺視孔2的觀測結(jié)果如圖5所示,可直觀地反映出煤巖體中節(jié)理、層理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的分布特征與狀況,及現(xiàn)有巷道頂板的實際情況。

從窺視孔2的觀測結(jié)果可以看出,在某工作面距離外切眼50 m處的臨近工作面軌順巷道中,頂板內(nèi)破碎嚴(yán)重,存在大量的破壞節(jié)理和裂隙,由于破碎的嚴(yán)重也使得巖層間的離層變得不明顯,造成離層小的原因主要是破碎充填和巖層不聯(lián)系破碎銜接。還可以發(fā)現(xiàn)在窺視范圍小于3 m時節(jié)理和裂隙發(fā)育非常明顯,由于頂板的破碎使得頂板的強度大大降低,在做支護設(shè)計和支護方案時必須著重考慮裂隙和節(jié)理的影響。

圖5 窺視孔2部分深孔窺視圍巖裂隙結(jié)果

4 結(jié) 語

通過對某工作面膠帶巷道相隔30 m的臨近工作面軌順頂板巖層的深部鉆孔窺視,并對兩個鉆孔展開圖進行分析,得出以下結(jié)論:

1) 某工作面頂板較堅硬,但是豎向裂隙較發(fā)育,圍巖垂直應(yīng)力明顯大于水平應(yīng)力;

2) 頂板在3 m范圍內(nèi)的破碎狀態(tài)嚴(yán)重,在3 m后頂板的破碎狀況逐漸減小。