基于松動圈測試的煤巷圍巖分類及支護評價

楊睿

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島266590）

基于松動圈測試的煤巷圍巖分類及支護評價

楊睿

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島266590）

松動圈是進行圍巖分類及支護優化的重要依據。為了更加深入地了解某深井巷道圍巖的分類情況，結合其存在地壓大、巖體塑性大以及煤層具有強烈沖擊傾向性等特點，應用DYTJ20型巖層探測記錄儀對該深井工作面回采巷道進行了松動圈測試，初步確定了其松動圈大小，并根據松動圈理論對其進行圍巖分類，進而對回采巷道的支護方案作出科學評價。

深部開采；松動圈；圍巖分類；支護評價

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.021

1 引言

地壓大是深部開采中面臨的主要威脅之一，主要表現為原巖應力大、巖體塑性大及礦山壓力顯現劇烈[1]。深部巷道開挖后，圍巖受力由三向變成了兩向和單向受力狀態，造成巖石強度出現不同程度的降低，破壞了原始應力狀態[2]。如果圍巖集中應力值小于下降后的巖石表征強度，則圍巖處于彈塑性狀態，圍巖穩定。反之，圍巖將發生破壞，這種破壞逐漸向深部擴展，直至達到新的應力平衡狀態。此時,圍巖中出現了一個松弛破裂帶（圍巖松動圈），其力學特征表現為應力降低[3]。松動圈越大，圍巖破壞越嚴重，支護越困難。研究確定巷道圍巖松動圈的大小，對于評價現有的支護方案、保證巷道支護安全等具有重要意義。為此，眾多學者對此開展了大量研究[4～7]，取得了很多有益的研究成果，但對深礦井開采中的松動圈測試研究鮮有涉及。本次測試以某深井的回采巷道為背景，根據松動圈理論，對其圍巖進行分類，研究分析其支護方案的合理性。

2 圍巖松動圈測試

2.1 工程概況

該工作面走向長度為820m，傾斜長度為120m，煤層厚度為8.2m。由于埋深較大，煤層具有強烈的沖擊傾向性。工作面兩順槽均為矩形斷面，支護形式相同。頂板錨桿為22mmL

2.2 測試儀器

DYTJ20型巖層探測記錄儀是測試巷道圍巖松動圈的常用設備，它能較好地揭示地下工程圍巖狀態，結合相關分析軟件可準確地推測巖層產狀、裂隙發育擴展情況及松動范圍等。探測結果既可用于煤礦工作面頂板離層、巷道破壞失穩、礦井井筒破裂變形等地下災害工程預警預報，也可用于地下工程錨桿支護、圍巖注漿加固、巷道修復等參數設計和地下工程施工質量、支護方案評估分析等，為煤礦及巖土工程提供可靠、真實有效的實測資料和分析。

2.3 測試方案及地點

工作面充分采動時后，在兩個順槽各布置2個松動圈測試斷面，采用DYTJ20型巖層探測記錄儀進行巷道圍巖松動圈測試。兩幫雖支護方式相同，但一個為生產幫，另一個為非生產幫，因此，每個斷面需在兩幫中部、兩肩角和頂板中部上各打一個觀測鉆孔。考慮到松動圈大小，鉆孔孔深須為4.0m，根據不同孔深受采動影響的裂隙發育情況確定巷道圍巖松動圈大小。每個測試斷面鉆孔布置情況如圖1所示。

圖1 鉆孔布置圖

當工作面推進至200m時對其回采巷道展開測試，根據現場地質及超前支承壓力影響情況，將測點分別布置在距離工作面20m和580m處，如圖2所示。

圖2 測站布置圖

2.4 測試結果分析

通過分析不同深度巖層鉆孔圖像中的裂隙發育及破碎情況，可以確定回采巷道不同位置各測點的松動圈大小，同時可以分析受不同采動影響下的松動圈變化情況。鑒于篇幅所限，僅對第三測站（軌道順槽內距工作面煤壁20m處）生產幫上隅角松動圈測試結果加以分析，鉆孔成像如圖3所示。

圖3 軌道順槽20m處生產幫上角鉆孔成像圖

由圖3可知，在鉆孔深度4.0m范圍內，淺部煤、巖層裂隙比較發育、破碎。巖層在2.21m處仍發育有明顯裂隙，2.21m深度以內的巖層未再有明顯裂隙出現，可以確定該斷面生產幫上角的松動圈大小為2.21m。同樣，通過整理各測站的測試結果，得出如表1所示結論。圍巖松動圈發育形態如圖4所示。

表1 回采巷道松動圈測試結果

圖4 回采巷道圍巖松動圈發育形態

3 圍巖分類及支護評價

基于巷道圍巖松動圈理論，對工作面回采巷道的圍巖加以分類，目的在于正確評價支護方案，以便合理地確定支護參數和施工工藝，為今后同類巷道的支護設計提供依據。結合錨噴支護機理，將圍巖分為小松動圈（0～40cm）、中松動圈（40～150cm）和大松動圈（＞150cm）3大類6個小類，如表2所示。

表2 巷道圍巖分類

松動圈測試結果表明，深部巷道由于存在巖體塑性大、沖擊傾向性明顯等典型特征，圍巖受采動及超前支承壓力影響后的松動圈區域更為明顯，工作面軌道順槽和膠帶順槽受采動影響區域內的松動圈大小一般為2.01～2.35m，屬于V類大松動圈不穩定圍巖；兩順槽未受采動影響區域松動圈大小一般為1.84～1.93m，屬于IV類大松動圈一般不穩定圍巖。目前軌道順槽和膠帶順槽的頂板及兩幫均采用2500mm長的螺紋鋼錨桿，錨桿均能錨固到松動圈外的完整煤體中。錨桿長度設計比較合理，且其支護體系較為完善，類似條件下可以繼續推廣。

4 結語

1）松動圈是進行巷道圍巖穩定性評價和合理支護設計的重要依據。運用DYTJ20型巖層探測記錄儀對某深井工作面順槽進行了鉆孔探測，分析確定了其松動圈大小。基于此，對巷道圍巖穩定性進行分類，得出了兩順槽在受采動影響區域內屬于V類大松動圈不穩定圍巖，而在未受采動影響區域則屬于IV類大松動圈一般不穩定圍巖。

2）深部巷道圍巖受采動及超前支承壓力影響后的松動圈區域更為明顯。基于對深井工作面兩順槽圍巖的分類及其穩定性評價，結合該礦現有的支護體系，得出所采用的錨桿長度較為合理，支護體系比較完善，能夠滿足現場的實際要求。

【1】徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2009.

【2】沈明榮，陳建峰.巖體力學[M].上海：同濟大學出版社，2012.

【3】劉剛，宋宏偉.煤巷圍巖松動圈規律研究[J].煤炭學報，2002，27(1)：31-35.

【4】董方庭.巷道圍巖松動圈支護理論及其應用技術[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

【5】靖洪文，付國彬，董方庭.深井巷道圍巖松動圈預分類研究[J].中國礦業大學學報，1996，25（2）：45-49.

【6】劉剛.矩形巷道圍巖松動圈分布規律研究[M].徐州：中國礦業大學出版社，2000.

【7】于輝，唐仁學，孔令根，等.圍巖松動圈支護理論在煤巷支護設計中的應用[J].中國礦業，2014，23（8）:115-118.

Classificationof RoadwaySurroundingRockandSupportingEvaluation Based on Loose Circle Theory

YANG Rui
(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

Loosecircleistheimportantbasisofclassificationofroadwaysurroundingrockandsupportingoptimization.Inordertodeeply knowabouttheclassificationsituationofroadwaysurroundingrockinadeepwell,combinedwithitscharacteristicsofbiggroundpressure, large plasticity of rock mass and strong impact tendency of coal seam,the extent of the loose circle was measured with the DYTJ20 strata detectionrecorderinthetwogatewaysofthecoalfaceinthedeepwell.Therefore,thesizeofloosecirclewaspreliminarilydetermined.Then the supportingscheme ofgatewayhas been made scientific evaluation and the surrounding rock has been classified according to the loose circletheory.

deepmining;loosecircle;classificationofsurroundingrock;supportingevaluation

U452.1+2；TD263.5+3

B

1007-9467（2016）07-0093-03

2016-04-11

楊睿（1995～），男，山東泰安人，助教，從事土木工程及巖土工程研究，（電子信箱）yangruisdust@163.com。