深井高应力巷道松动圈测试及支护优化技术

2022-01-23李建功任家俊丁坤朋

山西冶金 2021年6期

关键词：大巷波速裂隙

李建功，任家俊，丁坤朋

（1.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西长治 046000；2.河南明德矿山技术开发有限公司，河南焦作 454000；3.河南理工大学河南理工产业技术研究院，河南焦作 454003）

随着科学技术的快速发展，煤矿开采逐步向深部发展，深部巷道普通的支护形式已不能满足安全生产的要求，深井巷道呈现出难支护、支护效果差、巷道变形严重等现象，并且深部巷道支护还存在一些问题。

单一支护方式未考虑巷道不同地段地质特点，造成支护强度过大或过小，未真正起到作用。

忽略帮部及底板支护，造成帮部和底板失稳。

未考虑巷道整体稳定性，只针对局部位置加强支护，引起支护失稳。

山西某矿现开采15号煤层，煤层平均厚4 m，煤层埋深高达800 m。在煤层倾向的中部布置有五条大巷。其中回风大巷位于15号煤层中，沿煤层顶底板掘进，矩形断面。顶部采用锚索、钢筋网、喷射混凝土联合支护，采用Ф21.8 mm×6 200 mm的高强锚索，间排距均为800 mm；帮部采用锚索、钢筋网、喷射混凝土联合支护，巷道底角处施工一排Ф20 mm×2 400 mm锚杆，锚索采用Ф17.8 mm×4 200 mm，间排距均为800 mm。根据地应力测试结果，回风大巷所处位置最大水平主应力32.26 MPa，原岩应力场为高应力值场，构造应力占优势。

工作面布置在大巷南北两侧，呈条带式开采。煤层埋深大、地应力高，且受采动影响的共同作用，使大巷受到严重变形，甚至破坏，对矿井正常生产和安全构成极大影响。为此，大巷经历了多次返修，耗费了大量的人力物力。为了掌握大巷的围岩破坏情况，通过对回风大巷进行围岩松动圈测试，基于测试结果，优化大巷支护方式和参数。该研究为巷道支护参数的优化提供技术依据。

1 返修巷道围岩松动圈理论分析

巷道围岩松动圈支护理论认为巷道支护主要对象是岩体开挖后形成的松动圈所产生的围岩碎胀变形；而对于返修巷道的支护形式是巷道刷扩过程中围岩产生的碎胀变形。与新掘巷道有所不同，返修巷道围岩松动圈的发展过程有其自身的特点，决定了返修巷道与新掘巷道在支护要求上的不同。

如图1所示，原松动圈为AC，返修过程中巷道因刷帮，靠近巷道表面AB的岩石被挖去，破坏了原松动圈所形成的力学平衡状态，原松动圈的内边界A点变到了刷扩后的B点，巷道的围岩松动圈向深部发展，外边界由原有的C点变到了刷扩后的D点，在此过程中，BC间的岩体变得更碎胀，CD之间的岩石发生了破裂，形成新的松动圈BD。

图1 松动圈变化示意图

当刷扩宽度AB与围岩松动圈比值较小时，巷道的刷扩宽度不大，围岩变形量不大，可按原有支护方式进行支护。如果AB与松动圈比值较大时，即巷道刷扩宽度较大，此时巷道出现了较大的围岩碎胀变形，原有支护方式不合理，需重新设计支护方式。

2 巷道围岩松动圈测试

2.1 测试原理

采用CT-2型超声波围岩裂隙探测仪进行巷道围岩松动圈测试。其原理：声波的波速与裂隙发育情况、介质密度、声阻抗等因素有关，与裂隙发育、声阻抗成反比，与密度成正比。因此，围岩完整性好测得的声波波速就高，围岩存在裂缝时测得的波速就低。测出距巷道围岩表面不同深度的岩体波速值，从而可以绘出深度和波速的曲线，然后由该地的地质资料可推断出该巷道的围岩松动圈范围。

图2 CT-2型探测仪发射与接收示意图

CT-2型探测仪为一发双收式装置。发射探头F在钻孔中发射声波，在孔壁周围产生滑行波沿着钻孔壁传播，在一发双收的测试中，当首波传播到接收探头J1时，将声波转换成电能，使控制器翻转，计数门开启，计数器开始计数。当滑行波继续传播到接收探头J2时，控制器翻转回来，将计数门关闭，计数器停止计数，显示出声波在J1与J2间岩体中传播的时间读数t，用下式计算声波波速：

式中：l为两接收探头之间的距离；t为时间读数。

2.2 测试位置及相关参数

采用单孔测试方法，在巷道断面上先确定监测点，然后在监测点位置钻孔，再将圆管状声波探头置入钻孔，为了使探头和孔壁有良好的声耦合，需要事先把孔内注满水，孔口装有堵水器，从孔口到孔底逐点测试，直到各点测试完毕。

在回风大巷内布置两个观测钻孔，钻孔位于15号煤层对应15109综采工作面回风顺槽向东50 m处。钻孔直径68 mm，钻孔深度3.0 m，距底板高度，1.5 m；钻孔角度向下偏5°。如图3所示。

图3 测试钻孔布置图

2.3 测试结果及分析

根据观测数据，将其换算成声波速度后，并将其绘制成波速度与孔深关系图如图4所示。

图4 声波速度与孔深关系图

结合现场测试状况，并对测试结果进行分析，由图4可知：

1）通过测试钻孔注水情况可知，回风大巷的孔内裂隙均较发育，注水时需3~10 min才能将水注满钻孔，且停水后孔内水位快速下降，在距离孔口约0.5 m至巷帮处钻孔大量裂隙导致钻孔内持续注水时水位上升困难。

2）巷道围岩越破碎，裂隙越多，波速越低。弹塑性变形区的围岩无破坏，在受到松动圈内的转移应力作用下使其压力变大，岩石密度增加，波速相应较高。远离开挖空间的岩块只承受原岩应力，波速介于松动圈与弹塑性变形区之间，所以由围岩松动圈内的波速到弹塑性区的波速会有明显的增加，弹塑性区的波速也有一段稳定的长度。由图4可以看出，波速在钻孔内波动较大，因其孔内持续注水对测试结果有一定的影响；综合判断该松动圈大于2.2 m。

3）由于松动圈测试仪的测杆长度有限，回风大巷未能测出松动圈的边界。

3 回风大巷支护方式优化

3.1 围岩松动圈大小与分类

根据表1可知，基于测得的围岩松动圈大小初步判定该矿大巷围岩属于大松动圈中的Ⅴ类或Ⅵ类。

表1 围岩松动圈分类表

3.2 锚网喷支护与注浆支护

该矿15号煤回风大巷原为矩形断面，在受到静压和回采动压影响后其顶板变形严重，其维护困难。鉴于拱形断面较矩形断面有较好的抗压性，采用直墙半圆拱断面，沿煤层顶板掘进，挑去顶板的K2灰岩，拱部置于K2灰岩中，墙体位于煤层中。

结合围岩松动圈大小与分类分析，为了提高巷道的整体稳定性，减少大巷维护量，15号煤回风大巷支护采用组合拱、二次支护理论。对于大松动圈的巷道而言，为了能够保持和利用破碎围岩的自身承载能力，对破碎的岩体进行支护和加固是十分重要的，能够阻止部分滑移和进一步的破碎，有效控制巷道变形，提高残余强度。因此，锚网喷与注浆联合支护是治理巷道大松动圈的最佳手段。

适当间距的锚杆群可以形成组合拱。喷浆可以填实巷道表面的坑洼、裂隙，阻止了巷道的风、水对围岩的破坏。金属网与喷层一起形成了一道具有柔性的支护圈，可吸收一定的变形。锚网喷能让能抗，刚柔相济。

图5 锚网喷支护示意图（mm）

3.2.1 锚网喷支护

组合拱理论认为组合拱的厚度为：

式中：b为组合拱厚度；l为锚杆有效长度；a为锚杆间排距。

目前回风大巷在其下部靠近底板的位置施工了1排锚杆，长度为2.4 m，施工时外露0.1 m。利用锚杆具有很好的抗滑移作用，需要在巷道帮部施工锚杆，间排距为0.8 m，由锚杆作用形成的组合拱的厚度为1.5 m。

采用2 100 mm×1 100 mm钢筋网片，Ф6 mm圆钢焊制，网格50 mm×50 mm。采用C25混泥土进行喷浆，其厚度不低于100 mm。

3.2.2 巷道注浆

注浆是由注浆材料配制而成的浆液经压力泵充填至围岩裂隙中，其主要作用：

1）围岩注浆可改善锚杆受力状态，使锚杆工作特性适应围岩变化规律，能及时向围岩提供支护阻力。

2）提高围岩的内聚力，增加了内摩擦角，围岩整体强度有所提高。

3）浆液充实裂隙后改善了围岩的受力状态，使充实前的两向受力变为三向受力状态。

4）充填的浆液将围岩与风和水隔离，阻止风、水对围岩力学性质的降低。

注浆后的加固效果取决于注浆材料自身强度与注浆参数两个因素。用于巷道加固常用的注浆材料为水泥与一些化学浆液；水泥价格相对适中，来源广、配制简单而被大量采用；本大巷加固采用P425的普通硅酸盐水泥，将其配制成单液浆。

注浆参数是有注浆管间排距、注浆压力、水灰比等，对注浆效果的好坏起着重要作用。不同的围岩结构、裂隙发育程度等因素决定了不同的注浆参数。现场采用先打浅孔、注浅孔，再打深孔、注深孔的顺序进行注浆试验。主要参数如下：浅孔水灰比1.0∶0.7深孔水灰比1.0∶0.8注浆孔间排距：1.8 m×2.4 m；注浆压力：浅孔1～2 MPa，深孔3～4 MPa；注浆孔深度：设计浅孔1.6 m，深孔3.5 m。