近距離煤層回采巷道圍巖破裂特征探測研究

侯化強 宗西華 郭營 張大強 孫小康

（1.山東省岱莊生建煤礦，山東 濟寧 277606；2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008）

某煤礦9 煤與10 煤煤層間距在西部盤區為12～27m，平均18.5m，煤層間距較小，上分層9 煤已采空，受其采動及采區煤柱影響，10 煤回采巷道頂板巖層結構變得十分復雜。巷道圍巖控制理論研究成果表明，巷道圍巖穩定性主要取決于圍巖應力、圍巖性質和圍巖支護。圍巖性質對巷道頂板穩定性的影響很大，回采巷道頂板巖層一般呈層狀分布，巷道頂板巖層各分層的巖性、厚度及節理裂隙發育程度往往決定了某一特定環境下巷道頂板的穩定性。在巷道頂板巖性一定的情況下，分層厚度、節理裂隙間距越大，巷道頂板穩定性越好，那么頂板離層值就越小。采用鉆孔窺視儀對近距離煤層下分層10-1052 巷道頂板結構進行探測，實現近距離煤層下分層回采巷道頂板結構與破裂范圍的精確空間定位，進而為下一步確定近距離煤層下分層回采巷道的支護方案與支護參數提供直觀可靠的工程地質依據，對于近距離煤層下分層回采巷道的支護和維護具有極其重要的意義。

10 煤煤層均厚3.1m，傾角4～10°，平均7°，直接頂為泥巖，厚度為4.5～6.7m，老頂為細粒砂巖，厚度為8.4～16.7m，直接底為泥巖，厚度為3.21～5.2m，老底為粉砂巖，厚度為2.30～4.8m。10-1052 掘進工作面位于9-103、9-201、9-203、9-205 采空區下，南面為采區軌道巷、回風大巷和采區皮帶巷，西面為10-109 掘進工作面，東面和北面為實體煤。10-1052 為10-105 工作面的回采巷道，主要用于行人、運輸、進風，巷道沿10 煤頂板掘進，巷道斷面為矩形，凈寬4200mm，凈高3200mm，巷道頂底板巖層特征如表1 所示。

表1 巷道頂底板巖層特征

1 巷道圍巖探測儀器及方案

1.1 探測儀器及其工作原理

JL-IDOI2007 智能鉆孔電視成像儀主要由探頭、電纜、主機、支架4 部分組成，如圖1 所示，該儀器能直觀地反映巷道圍巖的結構，提供高清晰度、高精度（圖像深度分辨率達0.1mm）的鉆孔全柱面成像圖。

圖1 智能鉆孔窺視儀(JL-IDOI2007)

鉆孔窺視儀的基本工作原理是利用CCD 攝像頭把光線轉變成電子訊號，通過電纜將訊號輸送到圖像接收儀上，觀察、記錄、存儲鉆孔結構圖像，并可與計算機連接，分析和處理圖像，能直觀、清晰地反映巷道圍巖的結構情況，智能鉆孔窺視儀原理圖如圖2 所示。

圖2 智能鉆孔窺視儀原理圖

在智能鉆孔窺視儀的探頭上除了CCD 攝像頭，其前端有一個指南針和標尺，利用指南針可以確定裂隙的方向，利用標尺可以對裂隙的幾何參數進行測量，也可以對離層的變化進行觀測。

1.2 探測斷面布置

為實現對10 煤回采巷道頂板結構的精確探測，我們選擇了10-105 工作面回采巷道10-1052 巷道作為測試段，在測試巷道段每隔20m 布置一組探測斷面，共計布置了5 組探測斷面進行探測，每組探測斷面頂板布置兩個探測鉆孔，探測鉆孔及其斷面布置如圖3 所示，其中斷面在9 煤層采區煤柱下方。

在每個探測斷面的頂板分別布置兩個鉆孔，鉆孔直徑為φ28mm，鉆孔深度為8.0m～8.5m。鉆孔鉆出以后，須對鉆孔用水沖洗2～3min，以防止鉆孔內的粉塵影響儀器成像的清晰度。

圖3 探測鉆孔及其斷面布置

2 探測結果及分析

巷道頂板探測斷面布置完成以后，利用JLIDOI2007 智能鉆孔電視成像儀對10 個鉆孔進行了現場探測。分析探測結果，可以得出以下結論：

（1）工作面頂板巖性差異變化較小，直接頂為泥巖，平均厚度在5.5m 左右，巖層較完整。當巖層處于上分層采區煤柱下方時，受應力集中的影響，整個巖層出現不同程度的水平開裂，裂隙十分發育；當處于上分層采空區下方時，巖層則相對較為完整，裂隙發育較少。

（2）巷道老頂為細粒砂巖，厚度比較穩定，巖層強度很高，完整性較好。當巖層處于上分層采區煤柱下方時，在距離巷道表面約7.0～8.0m 范圍內，巖層水平裂隙比較發育，這是由于上分層采區煤柱應力集中而產生的；巖層處于上分層采空區下方時，巖層整體比較完整，僅在與直接頂泥巖的界面處出現一些細小的水平裂隙。

（3）巷道頂板巖層的破壞方式大都為沿著水平節理或巖層交界面方向開裂，這說明巷道頂板巖層的本身強度(彈性模量、抗壓強度等)很高，但是巖層內部的節理、弱面和巖層交界面的強度很低，是極易發生離層破壞的部位，在進行巷道支護設計時，應充分考慮巖層破壞的這個重要特征。

（4）由于上分層采區煤柱應力集中的影響，當巷道過煤柱下方時候，巷道破裂范圍能達到8.0m 以上，在支護方案選擇時，若只單純的采用“錨網梁索”支護，有可能無法控制頂板巖層離層的發展，這種情況下應該考慮在普通“錨網梁索”支護的基礎上進行“架棚”支護。

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