神州煤業8#煤層回采巷道圍巖松動圈測試及分析

張 武,趙 勇, 郝兵元

(1.山西神州煤業有限責任公司,山西 呂梁 033000;2.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

巷道圍巖控制的主要目的為保障巷道圍巖的穩定,在巷道開挖后圍巖的初始應力平衡會受到破壞,此時巷道圍巖的應力會重新分布[1],隨著巷道圍巖應力的不斷增大,在巷道圍巖周圍會出現應力集中現象,當圍巖應力高于巷道圍巖體自身能承載的最大載荷時,此時圍巖便會出現塑性破壞,圍巖在集中應力的持續作用下,塑性破壞區域的深度會逐漸發育,直至圍巖的應力重新達到平衡狀態。巷道周邊圍巖的破壞深度,即為圍巖松動圈[2]。有效的掌握巷道松動圈發育的深度,能夠有根據性的對巷道圍巖穩定性進行分類,合理的指導錨桿索支護設計,本研究采用圍巖松動圈測試儀對回采工作面巷道圍巖松動圈范圍進行測試,并通過分析計算所測得的數據,為巷道圍巖控制提供合理科學的依據。

1 工程概況

山西神州煤業8#煤層位于太原組碎屑巖含煤段頂部,埋深232.53 m～442.10 m。8#煤層均厚1.33 m,屬于薄煤層。8#煤層回采巷道沿煤層底板掘進,由于煤層較薄,回采巷道的高度為2.6 m,寬度為4.3 m,巷道屬于半煤巖巷,巷幫圍巖局部破碎且復雜,在現有支護方案下圍巖變形量大,不能保障巷道圍巖的穩定,現為研究8#煤層回采巷道松動圈的范圍,在8#煤層回采巷道合理位置處布置鉆孔,對圍巖松動圈進行測試及分析。

2 松動圈測試方法及原理

2.1 測試方法

目前國內外測試巷道圍巖松動圈的方法有很多,常用的方法為單孔聲波法、雙孔聲波法、位移計法和地震波法,單孔聲波法與其他測試法相比操作簡單,結合現有設備情況及圍巖的具體條件,確定本次8#煤層回采巷道松動圈測定采用單孔聲波法進行測試作業。

2.2 測試原理

神州煤業圍巖松動圈測試所選用的儀器是CLC1000-C型號超聲波圍巖裂隙探測儀,該儀器通過測量孔中巖體的波速變化來顯示其松動變化規律,進而可得到圍巖的松動范圍[3-4]。圖1為利用單孔聲波法測試巷道圍巖松動圈的原理示意圖,圖中所示F為超聲波發射器,S1、S2為接收換能器。

圖1 松動圈測試原理圖Fig.1 Principle of loose circle test

發射器發射出的超聲波可在鉆孔中分散傳播[5],根據兩個接收器之間的距離計算出該段測試范圍的波速,測試示意圖如圖2所示。

圖2 松動圈測試示意圖Fig.2 Loose circle test

圖2中所示I1、I2為超聲波接收器,F為超聲波發射器。波速計算公式為:

式中:v為該測試段的波速,m/s;l為兩個接收器之間的距離,14 cm,t為測試時所記錄的“雙收時間”,μs。

通過在煤巖體內鉆孔并得出聲波縱波速度在該鉆孔中的變化情況,結合“雙收時間-孔深”、“波速-孔深”曲線,即可判斷圍巖內裂隙的范圍[6]。“雙收時間”越大、波速越慢,鉆孔所測深度范圍的煤巖體整體性越差,反之則越好。

根據測試得到的“雙收時間-孔深”、“波速-孔深”曲線,分析不同深度的“雙收時間”及波速變化情況,“雙收時間”明顯減小以及波速明顯增大的位置即為巷道圍巖內松動圈的范圍[7-8]。

3 松動圈測試結果分析

3.1 測試位置及過程

為了準確反應神州煤業下組煤巷道的松動圈范圍,井下松動圈測試地點盡量選擇在巷道成形規整,巷幫平整且受節理、裂隙等地質因素影響較小的位置,結合8#煤層的賦存條件及礦井現有生產狀況,確定本次松動圈測試在神州煤業8102和8103綜采工作面運輸巷內進行,進行4個測點巷幫圍巖松動圈測試作業。

8#煤層8102工作面運輸巷內巷幫2個測試位置分別位于巷道里程570 m煤柱幫、500 m回采幫；8103工作面運輸巷內3個測點分別位于巷道里程680 m煤柱幫、680 m回采幫、560 m位置煤柱幫。

為有效避開煤巖交界面對測試結果的影響,確定8#煤層巷幫松動圈測試孔距巷道底板高度1.5 m,測試鉆孔處于巷幫泥巖內,測試深度為2.0 m,傾斜向下2°～3°,孔徑為Φ42 mm。松動圈測點位置布置如圖3所示。

圖3 回采工作面巷道松動圈測試位置示意圖Fig.3 Testing location of loose circle in mining roadway

測試時,將探測棒與推桿連接并將封孔器套在推桿上,首先向打設好的測試孔內注滿水,然后將組裝好的儀器放入鉆孔中并用封孔器封好,每次從孔內向外移動10 cm,并記錄2～3次記錄儀上顯示的“雙收時間”(探測棒上兩個接收器接收到超聲波的時間差即為“雙收時間”),直至測試到孔口結束測量,在測試過程中要始終保持孔中充滿水。

3.2 測試結果分析

根據上述各測點的松動圈測試結果繪制的“波速、雙收時間-測試深度”曲線如圖4所示。

4-a 8102工作面運輸巷道570 m位置煤柱幫

4-b 8102工作面運輸巷道500 m位置煤柱幫

4-d 8103工作面運輸巷道680 m位置回采幫

4-e 8103工作面運輸巷道560 m位置煤柱幫圖4 巷幫松動圈波速、雙收時間曲線Fig.4 Wave velocity and double-reception time curves of loose circle

分析8102工作面運輸順槽570 m位置煤柱幫松動圈測試孔的“波速、雙收時間—測試深度”曲線圖可得,在距孔口0.5 m～1.1 m范圍內波速低于249.5 m/s,分析原因是由于在該范圍內巷幫圍巖的裂隙較發育。距孔口1.1 m位置開始,測試得到的波速逐漸上升,到距孔口1.4 m時波速增大到519.5 m/s,且在1.4 m后波速基本保持穩定,僅在小范圍內小幅度波動,說明在該范圍內巷幫圍巖的裂隙較少,且發育程度相近。綜合分析該位置巷幫測試孔內的雙收時間、波速與測試深度曲線的趨勢,判斷8102工作面運輸順槽570 m位置煤柱幫松動圈范圍為1.1 m～1.4 m。

運用同樣的分析方法,得出8102工作面運輸順槽500 m位置煤柱幫8#煤層巷道的松動圈范圍為1.3 m～1.6 m;8103工作面運輸順槽680 m位置煤柱幫松動圈范圍為1.1 m～1.5 m;8103工作面運輸順槽680 m位置回采幫松動圈范圍為1.2 m～1.3 m;8103工作面運輸順槽560 m位置煤柱幫松動圈范圍為1.2 m～1.6 m。

根據測試數據,綜合判斷神州煤業下組煤8#煤層巷道的巷幫圍巖松動圈范圍在1.1 m～1.6 m,屬于Ⅲ類中等松動圈一般圍巖或Ⅳ類大松動圈一般不穩定圍巖。

分析神州煤業8#煤層巷道巷幫圍巖松動圈范圍較大的原因：一方面是由于8#煤層內部本身發育有較多水平及豎直裂隙;另一方面是由于巷幫松動圈測試鉆孔位置位于8#煤與底板泥巖分層附近,而煤巖層交界附近圍巖的整體穩定性及物理力學性能均較差,造成測試孔附近的裂隙比較發育,松動圈范圍較大。

3.3 支護參數優化建議

8102工作面及8103工作面運輸巷原有支護均采用錨網索支護,錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,頂板錨桿間排距1 000 mm×900 mm,兩幫錨桿間排距為900 mm×900 mm,錨桿預緊扭矩為200 N·m,頂板錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線錨索,每排布置2根,間排距為1 800 mm×2 000 mm,預緊力為200 kN,原有支護參數如圖5所示。

圖5 運輸巷原有支護斷面圖Fig.5 Cross-section diagram of original support in transportation roadway

根據巷道松動圈的測試結果可知,兩幫圍巖屬于Ⅲ類中等松動圈一般圍巖或Ⅳ類大松動圈,兩幫松動圈較大,現依據原有支護方案提出以下建議:

1)兩幫松動圈發育范圍較大,現有兩幫錨桿預緊扭矩為200 N·m,相對偏小,應提升錨桿的預緊扭矩為300 N·m。

2)為對巷道兩幫淺部松動圈范圍內的圍巖施加有效的表面約束力,提升錨桿的整體性,在兩幫表面安裝Φ14的Q235圓鋼焊接的鋼筋梯子梁作為錨桿托梁,以均衡錨桿受力和提高整體支護作用,保障預應力在兩幫巖體中的擴散,增強錨桿對松動圈范圍內巖體的控制效果。

4 結論

1)巷道松動圈大小會受到測試位置、測試過程的規范操作及節理裂隙等眾多因素的影響,在測點選擇時,應盡可能的避開節理、裂隙等地質因素影響。

2)根據現場測試數據,綜合判斷神州煤業下組煤8#煤層回采巷道的巷幫圍巖松動圈范圍在1.1 m～1.6 m范圍屬于Ⅲ類中等松動圈一般圍巖或Ⅳ類大松動圈一般不穩定圍巖。

3)根據巷幫松動圈測試結果,提出升高錨桿的預緊扭矩為300 N·m、在巷道兩幫安裝Φ14的Q235圓鋼焊接的鋼筋梯子梁作為錨桿托梁,以此保障松動圈范圍內破碎煤巖體的穩定。