神州煤业8#煤层回采巷道围岩松动圈测试及分析

张 武,赵 勇, 郝兵元

(1.山西神州煤业有限责任公司,山西 吕梁 033000;2.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

巷道围岩控制的主要目的为保障巷道围岩的稳定,在巷道开挖后围岩的初始应力平衡会受到破坏,此时巷道围岩的应力会重新分布[1],随着巷道围岩应力的不断增大,在巷道围岩周围会出现应力集中现象,当围岩应力高于巷道围岩体自身能承载的最大载荷时,此时围岩便会出现塑性破坏,围岩在集中应力的持续作用下,塑性破坏区域的深度会逐渐发育,直至围岩的应力重新达到平衡状态。巷道周边围岩的破坏深度,即为围岩松动圈[2]。有效的掌握巷道松动圈发育的深度,能够有根据性的对巷道围岩稳定性进行分类,合理的指导锚杆索支护设计,本研究采用围岩松动圈测试仪对回采工作面巷道围岩松动圈范围进行测试,并通过分析计算所测得的数据,为巷道围岩控制提供合理科学的依据。

1 工程概况

山西神州煤业8#煤层位于太原组碎屑岩含煤段顶部,埋深232.53 m～442.10 m。8#煤层均厚1.33 m,属于薄煤层。8#煤层回采巷道沿煤层底板掘进,由于煤层较薄,回采巷道的高度为2.6 m,宽度为4.3 m,巷道属于半煤岩巷,巷帮围岩局部破碎且复杂,在现有支护方案下围岩变形量大,不能保障巷道围岩的稳定,现为研究8#煤层回采巷道松动圈的范围,在8#煤层回采巷道合理位置处布置钻孔,对围岩松动圈进行测试及分析。

2 松动圈测试方法及原理

2.1 测试方法

目前国内外测试巷道围岩松动圈的方法有很多,常用的方法为单孔声波法、双孔声波法、位移计法和地震波法,单孔声波法与其他测试法相比操作简单,结合现有设备情况及围岩的具体条件,确定本次8#煤层回采巷道松动圈测定采用单孔声波法进行测试作业。

2.2 测试原理

神州煤业围岩松动圈测试所选用的仪器是CLC1000-C型号超声波围岩裂隙探测仪,该仪器通过测量孔中岩体的波速变化来显示其松动变化规律,进而可得到围岩的松动范围[3-4]。图1为利用单孔声波法测试巷道围岩松动圈的原理示意图,图中所示F为超声波发射器,S1、S2为接收换能器。

图1 松动圈测试原理图Fig.1 Principle of loose circle test

发射器发射出的超声波可在钻孔中分散传播[5],根据两个接收器之间的距离计算出该段测试范围的波速,测试示意图如图2所示。

图2 松动圈测试示意图Fig.2 Loose circle test

图2中所示I1、I2为超声波接收器,F为超声波发射器。波速计算公式为:

式中:v为该测试段的波速,m/s;l为两个接收器之间的距离,14 cm,t为测试时所记录的“双收时间”,μs。

通过在煤岩体内钻孔并得出声波纵波速度在该钻孔中的变化情况,结合“双收时间-孔深”、“波速-孔深”曲线,即可判断围岩内裂隙的范围[6]。“双收时间”越大、波速越慢,钻孔所测深度范围的煤岩体整体性越差,反之则越好。

根据测试得到的“双收时间-孔深”、“波速-孔深”曲线,分析不同深度的“双收时间”及波速变化情况,“双收时间”明显减小以及波速明显增大的位置即为巷道围岩内松动圈的范围[7-8]。

3 松动圈测试结果分析

3.1 测试位置及过程

为了准确反应神州煤业下组煤巷道的松动圈范围,井下松动圈测试地点尽量选择在巷道成形规整,巷帮平整且受节理、裂隙等地质因素影响较小的位置,结合8#煤层的赋存条件及矿井现有生产状况,确定本次松动圈测试在神州煤业8102和8103综采工作面运输巷内进行,进行4个测点巷帮围岩松动圈测试作业。

8#煤层8102工作面运输巷内巷帮2个测试位置分别位于巷道里程570 m煤柱帮、500 m回采帮；8103工作面运输巷内3个测点分别位于巷道里程680 m煤柱帮、680 m回采帮、560 m位置煤柱帮。

为有效避开煤岩交界面对测试结果的影响,确定8#煤层巷帮松动圈测试孔距巷道底板高度1.5 m,测试钻孔处于巷帮泥岩内,测试深度为2.0 m,倾斜向下2°～3°,孔径为Φ42 mm。松动圈测点位置布置如图3所示。

图3 回采工作面巷道松动圈测试位置示意图Fig.3 Testing location of loose circle in mining roadway

测试时,将探测棒与推杆连接并将封孔器套在推杆上,首先向打设好的测试孔内注满水,然后将组装好的仪器放入钻孔中并用封孔器封好,每次从孔内向外移动10 cm,并记录2～3次记录仪上显示的“双收时间”(探测棒上两个接收器接收到超声波的时间差即为“双收时间”),直至测试到孔口结束测量,在测试过程中要始终保持孔中充满水。

3.2 测试结果分析

根据上述各测点的松动圈测试结果绘制的“波速、双收时间-测试深度”曲线如图4所示。

4-a 8102工作面运输巷道570 m位置煤柱帮

4-b 8102工作面运输巷道500 m位置煤柱帮

4-d 8103工作面运输巷道680 m位置回采帮

4-e 8103工作面运输巷道560 m位置煤柱帮图4 巷帮松动圈波速、双收时间曲线Fig.4 Wave velocity and double-reception time curves of loose circle

分析8102工作面运输顺槽570 m位置煤柱帮松动圈测试孔的“波速、双收时间—测试深度”曲线图可得,在距孔口0.5 m～1.1 m范围内波速低于249.5 m/s,分析原因是由于在该范围内巷帮围岩的裂隙较发育。距孔口1.1 m位置开始,测试得到的波速逐渐上升,到距孔口1.4 m时波速增大到519.5 m/s,且在1.4 m后波速基本保持稳定,仅在小范围内小幅度波动,说明在该范围内巷帮围岩的裂隙较少,且发育程度相近。综合分析该位置巷帮测试孔内的双收时间、波速与测试深度曲线的趋势,判断8102工作面运输顺槽570 m位置煤柱帮松动圈范围为1.1 m～1.4 m。

运用同样的分析方法,得出8102工作面运输顺槽500 m位置煤柱帮8#煤层巷道的松动圈范围为1.3 m～1.6 m;8103工作面运输顺槽680 m位置煤柱帮松动圈范围为1.1 m～1.5 m;8103工作面运输顺槽680 m位置回采帮松动圈范围为1.2 m～1.3 m;8103工作面运输顺槽560 m位置煤柱帮松动圈范围为1.2 m～1.6 m。

根据测试数据,综合判断神州煤业下组煤8#煤层巷道的巷帮围岩松动圈范围在1.1 m～1.6 m,属于Ⅲ类中等松动圈一般围岩或Ⅳ类大松动圈一般不稳定围岩。

分析神州煤业8#煤层巷道巷帮围岩松动圈范围较大的原因：一方面是由于8#煤层内部本身发育有较多水平及竖直裂隙;另一方面是由于巷帮松动圈测试钻孔位置位于8#煤与底板泥岩分层附近,而煤岩层交界附近围岩的整体稳定性及物理力学性能均较差,造成测试孔附近的裂隙比较发育,松动圈范围较大。

3.3 支护参数优化建议

8102工作面及8103工作面运输巷原有支护均采用锚网索支护,锚杆采用Φ20 mm×2 400 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆,顶板锚杆间排距1 000 mm×900 mm,两帮锚杆间排距为900 mm×900 mm,锚杆预紧扭矩为200 N·m,顶板锚索采用Φ17.8 mm×6 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线锚索,每排布置2根,间排距为1 800 mm×2 000 mm,预紧力为200 kN,原有支护参数如图5所示。

图5 运输巷原有支护断面图Fig.5 Cross-section diagram of original support in transportation roadway

根据巷道松动圈的测试结果可知,两帮围岩属于Ⅲ类中等松动圈一般围岩或Ⅳ类大松动圈,两帮松动圈较大,现依据原有支护方案提出以下建议:

1)两帮松动圈发育范围较大,现有两帮锚杆预紧扭矩为200 N·m,相对偏小,应提升锚杆的预紧扭矩为300 N·m。

2)为对巷道两帮浅部松动圈范围内的围岩施加有效的表面约束力,提升锚杆的整体性,在两帮表面安装Φ14的Q235圆钢焊接的钢筋梯子梁作为锚杆托梁,以均衡锚杆受力和提高整体支护作用,保障预应力在两帮岩体中的扩散,增强锚杆对松动圈范围内岩体的控制效果。

4 结论

1)巷道松动圈大小会受到测试位置、测试过程的规范操作及节理裂隙等众多因素的影响,在测点选择时,应尽可能的避开节理、裂隙等地质因素影响。

2)根据现场测试数据,综合判断神州煤业下组煤8#煤层回采巷道的巷帮围岩松动圈范围在1.1 m～1.6 m范围属于Ⅲ类中等松动圈一般围岩或Ⅳ类大松动圈一般不稳定围岩。

3)根据巷帮松动圈测试结果,提出升高锚杆的预紧扭矩为300 N·m、在巷道两帮安装Φ14的Q235圆钢焊接的钢筋梯子梁作为锚杆托梁,以此保障松动圈范围内破碎煤岩体的稳定。