瓦斯抽采鉆孔對巷道圍巖松動圈的影響研究

申李華

(潞安環能股份公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

圍巖松動圈的測試是選擇巷道支護方案和圍巖穩定性分析的重要依據，國內許多學者已經對巷道圍巖松動圈進行了大量研究。董方庭等[1]初步建立了巷道圍巖松動圈支護理論、分類方法和錨噴支護機理等三個有機部分，并進行了大面積推廣和繼續完善理論等技術工作。李宏業等[2]對龍首礦4102回風巷距離回采工作面前方45 m、60 m、75 m、90 m和105 m處的煤壁進行巷道圍巖松動圈測試，并且對比了巷道支護圍巖松動圈分類表，確定了圍巖特性。方冉等[3]對直墻等各種拱形斷面進行了多樣本的測試分析，界定巷道松動的范圍和界限，統計分析了各種類型巷道圍巖松動圈的范圍，揭示了它的發育規律，并且對巷道支護方案提供了技術依據。楊占國等[4]分析了高應力半煤巖異形巷道圍巖塑性區變化發展趨勢，并且對高應力半煤巖異形巷道的結構變形機制進行了研究。根據相關學者實驗研究結果表明[5-8]：在同一水平巖石強度越大松動圈越小，在不同水平、同一巖層，埋深越大松動圈越大，受采動影響后松動圈明顯變大；在巖石強度不變時，原巖應力的增加，松動圈將隨之增大。影響圍巖松動圈的主要因素包括圍巖應力、巖石強度、采深、礦井開采臨界深度、采動次數及支護強度[9-12]。

鑒于此，文章以王莊煤礦9105運巷為背景，研究了瓦斯抽采孔對巷道圍巖松動圈的影響，對王莊煤礦煤巷圍巖錨網支護具有重要的指導意義。

1 工程地質概況

1.1 地質概況

9105工作面位于王莊煤礦91采區，主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.8 m，煤層夾矸厚度0.35 m，煤層傾角3～7°，煤的普氏系數f為1～1.5，屬于中硬煤層，埋深約450 m。煤層瓦斯壓力為0.3～0.48 MPa，瓦斯含量為9.89 m3/t，煤層透氣性系數為0.010 6～0.073 4 m2/(MPa2·d)，屬于高瓦斯低透氣性煤層。煤層開采前，需要布置高抽巷進行瓦斯抽采。

9105運巷設計長度3 350 m，沿煤層底板掘進；巷道斷面為矩形斷面，尺寸為5.5 m×3.6 m，直接頂為2.0 m厚的泥巖，老頂為14.0 m厚的中粒砂巖、砂質泥巖互層，直接底為1.8 m厚的泥巖，老底為2.0 m厚的粉砂巖。

1.2 工程概況

9105運巷支護方式是:錨桿間排距為850 mm×900 mm，錨桿規格為D22 mm×2 400 mm的高強度螺紋鋼錨桿；錨索規格為D22 mm×9 300 mm，間排距為2 000 mm×1 800 mm；鋪設金屬網和D14 mm×5 300 mm×80 mm圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×12 mm的托板。

瓦斯抽采孔參數布置情況：9105運巷兩幫部各布置一排鉆孔，瓦斯抽采鉆孔直徑為120 mm，傾角為-5～2°，鉆孔施工長度為180 m，鉆孔封孔長度為20 m，鉆孔間距為3.0 m。

瓦斯抽采情況：9105運巷瓦斯抽采孔于2015年10月開始布置，截至2019年8月位置進行不間斷抽采。抽采負壓18 kPa，末期的抽采濃度在3%～18%之間，根據實際情況，9105工作面采前預抽孔抽為6 m3/min。

監測結果顯示，在工作面回采過程中巷道圍巖變形破壞嚴重，對煤炭資源高效開采存在較大的安全隱患。

2 測 試

2.1 測試原理

9105運巷圍巖松動圈測試實質上是應用超聲波在不同介質中傳播速度不同，來預測圍巖的破壞情況。根據彈性理論，由彈性波的波動方程通過彈性力學空間問題的靜力方程推導，可得出超聲波縱波波速與介質的彈性參數之間的關系。

式中：VS為巖體的橫波速度；E為巖體的彈性模量；μ為巖體的泊松比；ρ為巖體的密度。

2.2 測試設備及測試方法

9105運巷松動圈測試采用山東昊洲礦業安全裝備有限公司生產的CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀(又名超聲波圍巖松動檢測儀)，為單孔測試法，如圖1所示。本儀器用于探測圍巖松動、裂隙范圍，為井巷設計與施工提供科學依據，儀器為礦用本質安全型。可用于瓦斯礦井、金屬礦井、隧道及地下工程圍巖定性評析，是國內目前探測圍巖松動圈、國巖裂隙最先進最有科學依據的儀器。

圖1 CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀

該儀器是發射和接收超聲波縱波波速的儀器，縱波速度是通過測定鉆孔中的一定距離(探頭長度)圍巖的超聲波傳播時間計算出來的。發射換能器F在鉆孔中發射超聲波，沿鉆孔壁滑行傳播。發射換能器F發射超聲波的同時觸發計時電路計時，當接收換能器J收到的超聲波信息后停止計時，儀器主機顯示測出的是聲波在F-J間的傳播時間，由此可計算出該段孔壁處縱波傳播的波速見式(1)。由此，不同巖性及不同破碎程度的圍巖其縱波傳播的波速不同，通過測試可以計算出來。

(1)

式中：l為換能器F-J間距，l=0.14 m；t為測試時間數據，單位為μs。

當在軟巖或煤層中測試時，因聲波衰減較快，接收到的可能不是首波信號，其讀數可能偏大1～4周期(t=33 μs)，以此計算出的波速已不準確 ，但對圍巖裂隙(松動)的范圍的判斷無影響。

本儀器采用單孔測試法，測孔鉆成后及時進行測試，沒有出現測孔變形或坍塌現象，測試前用壓力水沖洗每個測孔，把測孔中的煤巖粉沖洗干凈，耦合方式是采用水來進行耦合。智能聲波檢測儀連接探頭通電預熱后，用推桿將探頭送入孔底，然后緩慢地拉動推桿將探頭，向外每移動10 cm讀一次聲時，直到孔口為止。在探測過程中，為避免某一點巖石破碎狀態以及井下很多因素帶來的影響，選擇具有普遍代表意義的點用來測量。

2.3 測試方案

測試地點選擇9105運巷兩幫部，布置3個測站(圖2(a))，每個測站左右幫各布置1個測點(左幫為9105工作面幫，右幫為實體煤幫)，測站間距50 m。每個測點布設2個測孔(圖2(b))，每測點處的測孔分別為距瓦斯抽采孔水平距離0.3 m和距瓦斯抽采孔水平距離1.5 m(瓦斯抽采孔間距為3.0 m，孔徑為120 mm)。測孔直徑為44～48 mm，孔深3.2 m，距幫部底板高1.4 m，角度為水平向下3～5°。

圖2 9105運巷松動圈測試鉆孔布置

3 測試結果分析

3.1 距瓦斯抽采孔0.3 m時結果分析

圖3、圖4分別為9105運巷距離瓦斯抽采孔水平距離約0.3 m處左右幫測站超聲波傳播速度，其中圖3為工作面幫(左幫)的煤體超聲波傳播速度大多數在100～1 000 m/s之間跳躍，三個測孔的波速變化幅度較小；而實體煤(右幫)在此范圍內煤體超聲波在100～2 000 m/s范圍內變化，且不同測站之間測孔波速變化較大。由此表明，9105運巷距瓦斯抽采孔0.3 m處，工作面幫煤體松動破壞程度較大，實體煤幫松動破壞程度相對較小，但左右幫煤體松動破壞程度差別不大；從9105運巷礦壓監測結果來看，工作面幫煤壁變形量比實體煤幫大，與其兩幫松動破壞程度相一致。

圖4 9105運巷右幫測站超聲波傳播速度

3.2 兩瓦斯抽采孔中間位置結果分析

圖5、圖6分別為9105運巷兩瓦斯抽采孔中間位置左右幫測站超聲波傳播速度，其中圖5為工作面幫的煤體超聲波傳播速度大多數在800～1 500 m/s之間跳躍，三個測孔的波速變化幅度較小；實體煤在此范圍內煤體超聲波在1 000～2 000 m/s范圍內變化，且不同測站之間測孔波速變化也較大。由此表明，9105運巷在兩瓦斯抽采孔中間位置處煤體松動破壞程度工作面側煤體大于實體煤測，但與距瓦斯抽采孔0.3 m距離煤體松動破壞程度相比，其破壞程度明顯降低。

圖5 9105運巷左幫測站超聲波傳播速度

圖6 9105運巷右幫測站超聲波傳播速度

4 錨桿支護下瓦斯抽采孔布置對策

從松動圈測試結果來看，瓦斯抽采鉆孔布置對巷道幫部煤體松動破壞程度影響較大，嚴重影響了巷道錨桿支護效果，增加了巷道支護成本。因此，在布置瓦斯抽采鉆孔時，必須考慮瓦斯抽采鉆孔對巷道錨桿支護的影響，其控制對策有以下兩點：

1) 明確抽采鉆孔在煤體中的塑性破壞范圍。不同孔徑的瓦斯抽采鉆孔在礦山壓力的作用下發生變形破壞，在一定程度上影響煤體完整性。

2) 瓦斯抽采鉆孔布置盡可能遠離錨桿所在位置：①將瓦斯抽采鉆孔布置在同一水平兩錨桿中間位置；②將瓦斯抽采鉆孔布置在周圍四根錨桿中間位置。

5 結 語

1) 通過王莊煤礦9105運巷煤體超聲波松動破壞測試，發現瓦斯抽采孔布置對煤體塑性破壞造成一定的影響，在兩瓦斯抽采孔中間位置處煤體塑性破壞范圍工作面側煤體大于實體煤測，但與距瓦斯抽采孔0.3 m距離的煤體相比，其塑性破壞范圍明顯降低。

2) 提出了巷道錨桿支護條件下，瓦斯抽采鉆孔布置對策，對錨桿支護巷道瓦斯抽采鉆具有重要的指導意義。