小庄煤矿巷道围岩松动圈裂隙结构特征分析

付航航，李 可，徐传玉，张 文，王 旭，孔祥国

(1.陕西彬长矿业有限公司，陕西 咸阳 713500；2.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

煤是我国占比最大的消费性能源，其庞大的需求量致使煤矿企业不断扩大生产规模，矿井开采向深部延伸，煤炭深部开采成为了一种趋势。在这种趋势下，深部矿井巷道矿压冲击、围岩变形和破坏等情况严重，煤与瓦斯突出等动力灾害频发，极大影响了矿井的安全生产[1-4]。

瓦斯抽采是矿井防治煤与瓦斯突出的一种重要措施[5]，而使瓦斯抽采钻孔封孔深度超过巷道松动圈的范围是提高瓦斯抽采效果的关键。因此，开展对巷道松动圈的研究可以为瓦斯抽采钻孔封孔深度提供科学依据，有利于瓦斯抽采效率的提高。

众多学者对巷道松动圈进行了大量研究。董方庭等[6]采用物理相似模拟、现场观测等方法，对松动圈进行了系统性研究，形成了巷道围岩松动圈支护理论，该理论得到了广泛推广应用，解决了大量巷道支护问题；靖洪文等[7]首次将全景数字钻孔摄像系统应用于巷道松动圈的研究，并提出了由圆形度指标判断巷道松动圈厚度的方法；武光辉等[8]采用钻孔窥视仪探测了巷道松动圈范围，并分析了围岩的破坏模式及规律。而在抽采钻孔封孔方面，崔宏磊等[9]采用单孔声波发射进行了研究，确定了合理的封孔长度；李国荣[10]采用数值模拟与钻屑指标法现场测试相结合的方法研究巷道裂隙带发育范围，确定钻孔的封孔深度；郝瑞云[11]运用数值模拟分析钻孔围岩塑性区和弹性区变形破坏区间，得出软煤层最优封孔参数范围；姚学庆等[12]利用钻孔成像仪进行钻孔内抽采管路窥视，解决了九里山矿抽采效率低的问题。

基于此，采用矿用钻孔成像仪对小庄煤矿40205工作面泄水巷、40307运顺巷道和40309回顺巷道开展巷道围岩松动圈现场观测，测定巷道围岩松动圈的范围，以期为小庄煤矿本煤层抽采钻孔封孔深度范围提供理论依据。

1 工程概况

小庄煤矿40205工作面属于二盘区，40307工作面、40309工作面属于三盘区，矿井设计主采煤层为4号煤层。二盘区工作面区域内煤层赋存较为稳定，厚度22～24 m；老顶为中-粗粒砂岩，厚度9～10 m；直接顶为细砂岩，厚度1～2 m；直接底为铝质泥岩，致密块状厚度3～4 m。

三盘区工作面中东部煤层较厚，西部较薄，倾角0°～4°，厚度20～26 m；老顶为粗砂岩，中等稳定，厚度10～24 m；直接顶为粉砂岩，稳定性差，厚度9～10 m；直接底为泥岩，厚度3～4 m。工作面巷道周边岩层以砂岩为主，稳定性较差，巷道掘进后产生变形，煤层内存在大量的构造裂隙发育，尤其是在受扰动影响较大的煤体内，裂隙会更加发育。

2 松动圈测定方案设计

2.1 测定设备

结合小庄煤矿4号煤层实际赋存条件及现场生产作业条件，在40205工作面泄水巷、40307运顺巷道和40309回顺巷道采用钻孔窥视法。利用抽采钻孔和卸压钻孔进行围岩松动圈测定，钻孔观测仪器采用武汉长盛煤安科技有限公司研制的CXK12(A)矿用本安型钻孔成像仪。

2.2 方案设计

在40205工作面泄水巷、40307运顺巷道和40309回顺巷道利用抽采钻孔和卸压钻孔进行钻孔窥视现场观测，窥视钻孔布置如图1所示，测试钻孔参数见表1。

图1 窥视钻孔布置示意Fig.1 Layout of peep boreholes

表1 钻孔窥视法布孔参数Table 1 Borehole layout parameters of borehole peeping method

3 钻孔窥视测量结果分析

3.1 40205工作面泄水巷钻孔窥视

40205工作面泄水巷钻孔窥视成像如图2所示，钻孔窥视立体分段展开图如图3所示。由图2(a)、(b)可以看出，在40205工作面泄水巷300 m处，初入钻孔处，钻孔周围煤体破损严重，裂隙发育充分；2.20 m处，钻孔顶部和底部仍然存在连片破裂位置；4.24 m处，窥视镜头沾染部分煤屑，钻孔里有水，孔壁相对完整；6.25 m处，水流和煤屑混合形成煤泥，阻碍窥视仪深入，直至8.02 m处，钻孔被彻底封堵无法深入。该预抽钻孔窥视表明，水排渣预抽钻孔施工，尽量选用适度仰角施工以便孔内水排放，否则孔底水和煤屑混合及水体浸泡容易堵塞钻孔，影响预抽效果；钻孔成型之后，要利用压风将钻孔内煤屑清扫干净，再进行封孔。

图2 40205工作面抽采钻孔窥视Fig.2 Peeping of the extraction borehole in 40205 working face

图3 40205工作面抽采钻孔窥视分段展开图Fig.3 Sectional expanded view of extraction borehole peeping in 40205 working face

通过观测钻孔窥视立体分段展开图，发现在0～1.0 m区间，有3条明显的裂隙；在钻孔3.0～3.6 m区间，有2条小裂隙；随着钻孔进一步深入，煤壁相对完整，但是由于钻孔中水与煤粉形成煤泥附着在钻孔壁上，煤泥的逐渐累积导致钻孔孔径相对空间缩小。由图2(c)、(d)可以看出，在40205工作面泄水巷285 m处，钻孔深度0.61 m位置，有明显的大裂隙生成；钻孔深入煤体1.05 m，钻孔煤壁均有不同尺度的裂隙形成；当深入到煤体2.19 m，裂隙数量逐渐减少；深入3.5 m，可以看到钻孔壁相对完整，但是煤屑增加，不利于窥视仪深入；在钻孔深度4.06 m，钻孔变形严重，煤体阻挡钻孔窥视仪镜头，无法深入。在退出的过程中，发生了一次煤炮，声音较大，钻孔孔口有煤体崩落。说明测试帮部应力较大，弹性能积聚而引发煤炮释放能量，可能造成钻孔塌孔。

进一步通过钻孔窥视立体分段展开图观测，发现钻孔0～1.5 m区域，有多条裂隙存在，由外向内，裂隙尺度逐渐缩小；另外，在钻孔2.85 m位置，可见一条明显裂隙存在；钻孔其他位置也散布着不同程度的破裂区，说明应力积聚过程中，钻孔发生变形。

3.2 40307运顺巷道钻孔窥视

40307工作面左帮抽采钻孔窥视成像如图4所示，钻孔窥视立体分段展开图像如图5所示。在40307运顺巷道里程390 m左帮处，由图4(a)、(b)可以看出，在0.32 m处，煤体破裂严重，裂隙数量较多；在1.65 m处，仍然可见大片的破裂区；随着深入钻孔3.66 m处，明显可见钻孔顶底部有破裂区域；随着钻孔深度进一步增加，钻孔煤壁裂隙数量逐渐减少，完整度逐渐增加，一直延续到钻孔测试底部。

图4 40307工作面左帮抽采钻孔窥视Fig.4 Peeking of extraction borehole at left side of 40307 working face

图5 40307工作面左帮抽采钻孔窥视分段展开图Fig.5 Sectional expanded view of the left side borehole peeping in 40307 working face

通过观测钻孔窥视立体分段展开图，发现钻孔0～0.75 m区域，有较多煤屑附着在钻孔煤壁上；在钻孔1.5～2.0 m区域和4.0～4.5 m区域，有较大破裂区存在；随着深入钻孔，其煤壁逐渐完整和光滑。在40307运顺巷道里程380 m左帮处，从图4(c)、(d)测试结果可以看出，钻孔深度1.53 m位置，煤体破裂严重；当钻孔深入煤体3.04 m，发现钻孔顶部左上角和底部右下角有局部破裂区；当钻孔继续深入煤体，窥视镜头出现反光现象，说明钻孔里有水，但可以看出钻孔孔壁相对完整，随着进一步向里窥视，孔壁完整性逐渐增加。进一步观测钻孔窥视立体分段展开图，发现1.8～3.3 m区域，钻孔孔壁存在不同尺度的破裂区域；随着深入，孔壁逐渐完整并趋于光滑。

40307工作面右帮抽采钻孔窥视成像如图6所示，钻孔窥视立体分段展开图像如图7所示。

图7 40307工作面右帮抽采钻孔窥视分段展开图Fig.7 Sectional expanded view of the right side borehole peeping in 40307 working fac

在40307运顺巷道里程400 m右帮处，从图6(a)、(b)可以看出，在1.12 m处，钻孔周围煤体破损严重，尤其是左上角和右下角，裂隙发育充分，且伴随大块煤体碎片；随着进一步深入钻孔3.61 m处，发现钻孔左下角裂隙相对较多，并伴随少量煤体碎片；继续深入钻孔，钻孔周围仍然存在少量裂纹，且逐渐减少趋于平滑，后续钻孔里有水，水中漂浮着相较前面更小的煤屑。

通过观测钻孔窥视立体分段展开图，发现在0～5.0 m区间，钻孔孔壁非常粗糙，说明裂隙发育充分，且随钻孔深度增加孔壁粗糙度逐渐降低，裂隙逐渐变少，之后窥视至结束未再发现明显裂隙分布。在40307运顺巷道里程370 m右帮处，从图6(c)、(d)可以看出，在1.06 m处，钻孔周围煤体破损严重，裂隙发育充分，且附着煤屑较多；继续深入，在3.65 m处，孔壁完整性较好，但钻孔周围伴有煤体颗粒；之后钻孔更深处，孔壁非常完整，且趋于光滑。进一步通过钻孔窥视立体分段展开图观测，发现在0～1.2 m之间孔壁极为粗糙，在孔壁左侧裂隙发育充分，右侧次之，且1.2～2 m处也有裂隙发育，之后窥视孔壁逐渐平滑。

图6 40307工作面右帮抽采钻孔窥视Fig.6 Peeking of extraction borehole at right side of 40307 working face

3.3 40309回顺巷道钻孔窥视

40309回顺巷道钻孔窥视结果如图8所示，可以看出，在1.11 m处，钻孔周围煤体破损严重，裂隙发育充分，且附着煤屑较多，底部伴随少量积水；钻孔逐渐深入到6.19 m过程中，发现钻孔周围存在不同程度的破裂区；之后钻孔继续深入，钻孔周围裂隙逐渐减少，钻孔孔壁趋于光滑。在钻孔窥视观测过程中，该巷道左帮有清晰的煤炮声，且次数较多，说明该区域应力较大；且测试地点距离40309工作面约300 m左右，受采动作业影响，巷道围岩松动圈范围较大。

图8 40309回顺巷道抽采钻孔窥视Fig.8 Peeping of the extraction borehole in 40309 return roadway

3.4 松动圈测量结果

基于在40205工作面泄水巷、40307运顺和40309回顺部分巷道段的钻孔窥视结果，确定松动圈范围见表2。

表2 松动圈范围Table 2 Range of loose zone

4 结论

(1)工作面巷道围岩松动圈内裂隙发育程度及分布规律受采动影响较大。未受采动影响区域的巷道围岩钻孔深部裂隙发育较差，孔壁趋于平滑，仅存在少量裂纹；受采动影响区域的巷道围岩在同钻孔深部位置裂隙发育较为充分，裂纹较多，且孔壁平滑区域更为深入。

(2)通过钻孔窥视实测确定了巷道围岩松动圈范围。未受采动影响区域的巷道围岩松动圈范围4.00～4.50 m；受采动影响区域的巷道围岩松动圈范围扩大到9 m左右。

(3)瓦斯抽采钻孔的封孔深度应超出煤巷帮的松动圈范围，考虑到钻孔封孔本身密封性问题，同时结合“预抽瓦斯钻孔封堵必须严密，穿层钻孔的封孔段长度不得小于5 m，顺层钻孔的封孔段长度不得小于8 m”的规定，建议本煤层抽采钻孔封孔深度设置在12～15 m之间。既可以保证瓦斯抽采效果，又可以降低成本，避免抽采盲区的出现。