岩体应力条件对煤矿回采巷道支护变形和荷载的影响

2021-07-27王晓波

山西冶金 2021年3期

王晓波

（山西同煤集团朔州煤电公司，山西大同 038300）

支架的变形和所受载荷均与地应力条件、岩层强度参数等采矿条件有关。了解这些参数之间的关系对于有效的回采巷道支护管理是必不可少的。尽管在回采巷道支护设计领域有大量的文献[1-2]，但缺乏应力条件与回采巷道变化之间相关性的研究。

1 巷道地质及开采条件

回采巷道371222位于当地竖井安全柱附近。该区块被三个大构造所限制，分别为：西部振幅400 m的断块、北部振幅100 m的A断块和南部振幅10 m的B断块。37a层在该区域沉积，平均深度在地表以下1050 m，方向为西北方向，呈9°～15°。

37a煤层底板为4 m厚的细粒砂岩层，下覆1.2 m厚的37b（524）煤层。37b煤层底板为2 m厚的粉砂岩层，其次为3.1 m厚的中粒砂岩层。

水力测透仪测得顶板、底板和煤层的单轴抗压强度（UCS）分别为（平均值）：56.19 MPa、55.00 MPa和9.50 MPa。计算结果表明，顶板钻孔取芯测井的平均RQD值可达85%。这两个参数（UCS和RQD）表明，靠近371222回采巷道的地层致密，质量良好。

2 测量方法

371222巷道周围岩体的应力状态和变形情况以及荷载作用在巷道上的测量工作是在为此专门准备的测量站进行的。测量站的示意图如图1所示。

首先，两个水井在回采巷道屋顶和侧壁Φ95 mm直径和长度：10.0 m，3.0 m（图1中1和2项）的透度计测试。根据试验结果确定了所研究的回采巷道周围岩石的强度。在穿透仪测试完成后，将钻孔摄像机插入钻孔中，以评估回采巷道s周围岩体的裂缝。第一次测量在长壁工作面前方约180 m处进行，随后的测量在工作面接近时进行。

在井下试验中，在采场顶板内的测点上使用了两个长度为2.4 m、直径为22 mm的仪器化钢锚杆（图1中第3项）。仪表式锚杆是一种用于测量锚杆中由于岩体位移而产生的轴向力的装置。这种类型的锚杆是建立在一个标准钢锚杆的基础上，其承载能力为180 kN，应变片张力传感器已经嵌入。

为了扩大与顶板岩层质量评价相关的地下测量[3]，安装了三层高度指示器（图1中第4项）。稳定测量串的锚建在顶板岩石的三个高度上：2.0 m、5.0 m和10.0 m。

接下来测试的参数是SPN支撑载荷的测量。为此，四个液压测功的测量范围从0到600 kN被用于测试和安装两个相邻的拱门下SPN集（图1中第5项）的支持。因此，它是可能的测量产生的反应部队岩体荷载作用于支持，长壁侧壁和对边。另外，特殊类型的测力计与长筋柔性螺栓一起安装在侧壁上（图1中项目6和7）。测力计应该指示水平作用的力。

图1 回采巷道371222测量站

图1所示中，回采巷道371222测量站方案：10.0 m长钻孔，用于测透仪和内窥镜照相机；测透仪和内窥镜照相机钻孔长3.0 m；2.4 m仪表锚杆；三位置手动—读数指示器（10.0 m、5.0 m、2.5 m）；液压测力计—地板；液压测功器—侧壁；长筋柔性螺栓；水平和垂直收敛测量点；安装应力测量探头的钻孔。

在巷道中也测量了巷道的高度和宽度（收敛）的变化（图1中项目8）。这些测试的目的是确定接近的长壁工作面对巷道变形大小的影响。根据研究方法[4]测量基准安装之间的SPN支持设置在屋顶,地板,和侧壁（螺栓长度为0.5 m）。这些基准构成参考点测量和期间，因此，监测工作的维度可能总是在同一平面上。使用便携式激光测距仪测量特定基准（屋顶、侧壁、侧壁）之间的距离。

同时进行了岩体应力测量。为此，增加了钻孔和传感器（图1中项目9）。应力测量方案涉及两个方面[5-6]。首先应用紧致锥端钻孔复取心法确定岩体应力张量；探头直接粘在钻孔的圆锥形底部，然后过芯。第二阶段的应力测量包括连续测量应力变化的接近长壁。这些测量是通过紧凑的锥形端井眼监测(CCBM)进行的。

3 测量结果

3.1 变形和支撑负载结果

回采巷道371222的测量是在2018年5月至2018年11月期间进行的。结果显示表和图表描述：收敛回采巷道和屋顶的地层位移（图2），负载SPN支持设置和检测锚杆的轴力分布（图3）以及岩体应力测量结果（表1和图4）。

图2 回采巷道371222

结果表明，长壁掘进工作面的垂向收敛量为144 mm，水平收敛量为33 mm（图2-1）；在闸口的垂向辐合过程中，底板隆起现象最为明显。它构成了约总垂直收敛值的85%。总位移值达到20 mm在10 m的顶板岩石（图2-2）。补充说明，内窥镜测试结果可以确定适当数量的岩体裂缝。在直接靠近回采巷道的地层中，仅发现了3条裂缝（直接顶距0.8 m）。

利用水力测功器对SPN支护载荷的测量结果进行分析表明，在长壁工作面前方约180 m处，基台压力的第一效应是明显的。从这个距离开始，载荷就会增加。设间距为0.50 m的单个SPN拱(长墙侧和侧壁之和)最大总荷载为96 kN（图3-1）。这些值不超过在回采巷道中使用的支撑的允许的最大承重能力。侧壁水平安装的长筋螺栓载荷为45 kN的实测值也可以认为是比较低的。

图3 支护荷载和测量锚杆荷载

轴向力的最大值超过了制造商规定的180 kN的螺栓允许承载能力，达到220 kN（图3-2）。锚的大部分登记荷载值构成了拉力。研究表明，位于锚杆沿段的拉张仪测得的变形变化最大，在0.95～1.45 m之间。此外，当长壁工作面位于距离约30 m处时，螺栓轴向力值显著增加。

3.2 岩体的初始应力状态与应力变化

应用CCBO探头测量的初始应力张量评估结果见下页表1。进行应力监测的1050 m深度的理论垂直应力约为24 MPa。覆岩33a、33b煤层采空区的保护作用影响探头CCBO2上解释的最大应力S1（Sigma1）值相对较低（17 MPa）。从CCBO2探头上的数据计算出的最大应力S1（16 MPa）也可以用类似的方法解释。在探测器CCBO1的情况下，最大水平S的大小是垂直分量（垂直应力为8.1 MPa）的两倍。在CCBO2探头的情况下，它是竖直应力分量大小（9.6 MPa）的1.7倍。

表1 主应力分量的值及其空间方向

应力变化最大分量（Sigma1）与CCBM2探头测得的长壁工作面距离的关系如图4所示。该探头安装在长壁371202采区以东的顶板岩石上。这是唯一一个可以监测长壁工作面后应力变化的探头。在距离长壁工作面25 m处应力变化开始增大（图4），Sigma1的应力分量在长壁工作面后显著增大，在长壁工作面后40 m处达到最大值（31 MPa）。

图4 CCBM2和CCBM3探针上Sigma 1最大应力变化的比较

3.3 测量结果比较

图5为长壁临近测点时371222采空区测得的垂向收敛、顶板位移、SPN支护荷载和应力变化。测量值的单位被调整，以显示在公共图的结果。

图5 比较了垂直收敛、地层位移、支护荷载和接近长壁引起的应力变化

在长壁工作面到达约30 m距离时，测量参数的动态增长最为明显（在后续的动态变化对比中，以该长壁位置的测量值作为参考点）。百分比增加参数的前方距离30 m到10 m长壁是如下：96%（垂直收敛—从7.3 cm增加到14.3 cm），400%（屋顶位移—从4 mm增加到20 mm），182%（SPN-support负载—增加从3.4 kN/109.6 kN/10）和105%（最大应力分量-σ1-6.0 MPa提高到12.3 MPa）。