近距离煤层回采巷道围岩破裂特征探测研究

侯化强 宗西华 郭营 张大强 孙小康

（1.山东省岱庄生建煤矿，山东 济宁 277606；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008）

某煤矿9 煤与10 煤煤层间距在西部盘区为12～27m，平均18.5m，煤层间距较小，上分层9 煤已采空，受其采动及采区煤柱影响，10 煤回采巷道顶板岩层结构变得十分复杂。巷道围岩控制理论研究成果表明，巷道围岩稳定性主要取决于围岩应力、围岩性质和围岩支护。围岩性质对巷道顶板稳定性的影响很大，回采巷道顶板岩层一般呈层状分布，巷道顶板岩层各分层的岩性、厚度及节理裂隙发育程度往往决定了某一特定环境下巷道顶板的稳定性。在巷道顶板岩性一定的情况下，分层厚度、节理裂隙间距越大，巷道顶板稳定性越好，那么顶板离层值就越小。采用钻孔窥视仪对近距离煤层下分层10-1052 巷道顶板结构进行探测，实现近距离煤层下分层回采巷道顶板结构与破裂范围的精确空间定位，进而为下一步确定近距离煤层下分层回采巷道的支护方案与支护参数提供直观可靠的工程地质依据，对于近距离煤层下分层回采巷道的支护和维护具有极其重要的意义。

10 煤煤层均厚3.1m，倾角4～10°，平均7°，直接顶为泥岩，厚度为4.5～6.7m，老顶为细粒砂岩，厚度为8.4～16.7m，直接底为泥岩，厚度为3.21～5.2m，老底为粉砂岩，厚度为2.30～4.8m。10-1052 掘进工作面位于9-103、9-201、9-203、9-205 采空区下，南面为采区轨道巷、回风大巷和采区皮带巷，西面为10-109 掘进工作面，东面和北面为实体煤。10-1052 为10-105 工作面的回采巷道，主要用于行人、运输、进风，巷道沿10 煤顶板掘进，巷道断面为矩形，净宽4200mm，净高3200mm，巷道顶底板岩层特征如表1 所示。

表1 巷道顶底板岩层特征

1 巷道围岩探测仪器及方案

1.1 探测仪器及其工作原理

JL-IDOI2007 智能钻孔电视成像仪主要由探头、电缆、主机、支架4 部分组成，如图1 所示，该仪器能直观地反映巷道围岩的结构，提供高清晰度、高精度（图像深度分辨率达0.1mm）的钻孔全柱面成像图。

图1 智能钻孔窥视仪(JL-IDOI2007)

钻孔窥视仪的基本工作原理是利用CCD 摄像头把光线转变成电子讯号，通过电缆将讯号输送到图像接收仪上，观察、记录、存储钻孔结构图像，并可与计算机连接，分析和处理图像，能直观、清晰地反映巷道围岩的结构情况，智能钻孔窥视仪原理图如图2 所示。

图2 智能钻孔窥视仪原理图

在智能钻孔窥视仪的探头上除了CCD 摄像头，其前端有一个指南针和标尺，利用指南针可以确定裂隙的方向，利用标尺可以对裂隙的几何参数进行测量，也可以对离层的变化进行观测。

1.2 探测断面布置

为实现对10 煤回采巷道顶板结构的精确探测，我们选择了10-105 工作面回采巷道10-1052 巷道作为测试段，在测试巷道段每隔20m 布置一组探测断面，共计布置了5 组探测断面进行探测，每组探测断面顶板布置两个探测钻孔，探测钻孔及其断面布置如图3 所示，其中断面在9 煤层采区煤柱下方。

在每个探测断面的顶板分别布置两个钻孔，钻孔直径为φ28mm，钻孔深度为8.0m～8.5m。钻孔钻出以后，须对钻孔用水冲洗2～3min，以防止钻孔内的粉尘影响仪器成像的清晰度。

图3 探测钻孔及其断面布置

2 探测结果及分析

巷道顶板探测断面布置完成以后，利用JLIDOI2007 智能钻孔电视成像仪对10 个钻孔进行了现场探测。分析探测结果，可以得出以下结论：

（1）工作面顶板岩性差异变化较小，直接顶为泥岩，平均厚度在5.5m 左右，岩层较完整。当岩层处于上分层采区煤柱下方时，受应力集中的影响，整个岩层出现不同程度的水平开裂，裂隙十分发育；当处于上分层采空区下方时，岩层则相对较为完整，裂隙发育较少。

（2）巷道老顶为细粒砂岩，厚度比较稳定，岩层强度很高，完整性较好。当岩层处于上分层采区煤柱下方时，在距离巷道表面约7.0～8.0m 范围内，岩层水平裂隙比较发育，这是由于上分层采区煤柱应力集中而产生的；岩层处于上分层采空区下方时，岩层整体比较完整，仅在与直接顶泥岩的界面处出现一些细小的水平裂隙。

（3）巷道顶板岩层的破坏方式大都为沿着水平节理或岩层交界面方向开裂，这说明巷道顶板岩层的本身强度(弹性模量、抗压强度等)很高，但是岩层内部的节理、弱面和岩层交界面的强度很低，是极易发生离层破坏的部位，在进行巷道支护设计时，应充分考虑岩层破坏的这个重要特征。

（4）由于上分层采区煤柱应力集中的影响，当巷道过煤柱下方时候，巷道破裂范围能达到8.0m 以上，在支护方案选择时，若只单纯的采用“锚网梁索”支护，有可能无法控制顶板岩层离层的发展，这种情况下应该考虑在普通“锚网梁索”支护的基础上进行“架棚”支护。

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