基于松动圈测试的煤巷围岩分类及支护评价

杨睿

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛266590）

基于松动圈测试的煤巷围岩分类及支护评价

杨睿

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛266590）

松动圈是进行围岩分类及支护优化的重要依据。为了更加深入地了解某深井巷道围岩的分类情况，结合其存在地压大、岩体塑性大以及煤层具有强烈冲击倾向性等特点，应用DYTJ20型岩层探测记录仪对该深井工作面回采巷道进行了松动圈测试，初步确定了其松动圈大小，并根据松动圈理论对其进行围岩分类，进而对回采巷道的支护方案作出科学评价。

深部开采；松动圈；围岩分类；支护评价

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

1 引言

地压大是深部开采中面临的主要威胁之一，主要表现为原岩应力大、岩体塑性大及矿山压力显现剧烈[1]。深部巷道开挖后，围岩受力由三向变成了两向和单向受力状态，造成岩石强度出现不同程度的降低，破坏了原始应力状态[2]。如果围岩集中应力值小于下降后的岩石表征强度，则围岩处于弹塑性状态，围岩稳定。反之，围岩将发生破坏，这种破坏逐渐向深部扩展，直至达到新的应力平衡状态。此时,围岩中出现了一个松弛破裂带（围岩松动圈），其力学特征表现为应力降低[3]。松动圈越大，围岩破坏越严重，支护越困难。研究确定巷道围岩松动圈的大小，对于评价现有的支护方案、保证巷道支护安全等具有重要意义。为此，众多学者对此开展了大量研究[4～7]，取得了很多有益的研究成果，但对深矿井开采中的松动圈测试研究鲜有涉及。本次测试以某深井的回采巷道为背景，根据松动圈理论，对其围岩进行分类，研究分析其支护方案的合理性。

2 围岩松动圈测试

2.1 工程概况

该工作面走向长度为820m，倾斜长度为120m，煤层厚度为8.2m。由于埋深较大，煤层具有强烈的冲击倾向性。工作面两顺槽均为矩形断面，支护形式相同。顶板锚杆为22mmL

2.2 测试仪器

DYTJ20型岩层探测记录仪是测试巷道围岩松动圈的常用设备，它能较好地揭示地下工程围岩状态，结合相关分析软件可准确地推测岩层产状、裂隙发育扩展情况及松动范围等。探测结果既可用于煤矿工作面顶板离层、巷道破坏失稳、矿井井筒破裂变形等地下灾害工程预警预报，也可用于地下工程锚杆支护、围岩注浆加固、巷道修复等参数设计和地下工程施工质量、支护方案评估分析等，为煤矿及岩土工程提供可靠、真实有效的实测资料和分析。

2.3 测试方案及地点

工作面充分采动时后，在两个顺槽各布置2个松动圈测试断面，采用DYTJ20型岩层探测记录仪进行巷道围岩松动圈测试。两帮虽支护方式相同，但一个为生产帮，另一个为非生产帮，因此，每个断面需在两帮中部、两肩角和顶板中部上各打一个观测钻孔。考虑到松动圈大小，钻孔孔深须为4.0m，根据不同孔深受采动影响的裂隙发育情况确定巷道围岩松动圈大小。每个测试断面钻孔布置情况如图1所示。

图1 钻孔布置图

当工作面推进至200m时对其回采巷道展开测试，根据现场地质及超前支承压力影响情况，将测点分别布置在距离工作面20m和580m处，如图2所示。

图2 测站布置图

2.4 测试结果分析

通过分析不同深度岩层钻孔图像中的裂隙发育及破碎情况，可以确定回采巷道不同位置各测点的松动圈大小，同时可以分析受不同采动影响下的松动圈变化情况。鉴于篇幅所限，仅对第三测站（轨道顺槽内距工作面煤壁20m处）生产帮上隅角松动圈测试结果加以分析，钻孔成像如图3所示。

图3 轨道顺槽20m处生产帮上角钻孔成像图

由图3可知，在钻孔深度4.0m范围内，浅部煤、岩层裂隙比较发育、破碎。岩层在2.21m处仍发育有明显裂隙，2.21m深度以内的岩层未再有明显裂隙出现，可以确定该断面生产帮上角的松动圈大小为2.21m。同样，通过整理各测站的测试结果，得出如表1所示结论。围岩松动圈发育形态如图4所示。

表1 回采巷道松动圈测试结果

图4 回采巷道围岩松动圈发育形态

3 围岩分类及支护评价

基于巷道围岩松动圈理论，对工作面回采巷道的围岩加以分类，目的在于正确评价支护方案，以便合理地确定支护参数和施工工艺，为今后同类巷道的支护设计提供依据。结合锚喷支护机理，将围岩分为小松动圈（0～40cm）、中松动圈（40～150cm）和大松动圈（＞150cm）3大类6个小类，如表2所示。

表2 巷道围岩分类

松动圈测试结果表明，深部巷道由于存在岩体塑性大、冲击倾向性明显等典型特征，围岩受采动及超前支承压力影响后的松动圈区域更为明显，工作面轨道顺槽和胶带顺槽受采动影响区域内的松动圈大小一般为2.01～2.35m，属于V类大松动圈不稳定围岩；两顺槽未受采动影响区域松动圈大小一般为1.84～1.93m，属于IV类大松动圈一般不稳定围岩。目前轨道顺槽和胶带顺槽的顶板及两帮均采用2500mm长的螺纹钢锚杆，锚杆均能锚固到松动圈外的完整煤体中。锚杆长度设计比较合理，且其支护体系较为完善，类似条件下可以继续推广。

4 结语

1）松动圈是进行巷道围岩稳定性评价和合理支护设计的重要依据。运用DYTJ20型岩层探测记录仪对某深井工作面顺槽进行了钻孔探测，分析确定了其松动圈大小。基于此，对巷道围岩稳定性进行分类，得出了两顺槽在受采动影响区域内属于V类大松动圈不稳定围岩，而在未受采动影响区域则属于IV类大松动圈一般不稳定围岩。

2）深部巷道围岩受采动及超前支承压力影响后的松动圈区域更为明显。基于对深井工作面两顺槽围岩的分类及其稳定性评价，结合该矿现有的支护体系，得出所采用的锚杆长度较为合理，支护体系比较完善，能够满足现场的实际要求。

【1】徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

【2】沈明荣，陈建峰.岩体力学[M].上海：同济大学出版社，2012.

【3】刘刚，宋宏伟.煤巷围岩松动圈规律研究[J].煤炭学报，2002，27(1)：31-35.

【4】董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

【5】靖洪文，付国彬，董方庭.深井巷道围岩松动圈预分类研究[J].中国矿业大学学报，1996，25（2）：45-49.

【6】刘刚.矩形巷道围岩松动圈分布规律研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

【7】于辉，唐仁学，孔令根，等.围岩松动圈支护理论在煤巷支护设计中的应用[J].中国矿业，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

杨睿（1995～），男，山东泰安人，助教，从事土木工程及岩土工程研究，（电子信箱）yangruisdust@163.com。