侯新春

(霍州煤電集團 呂梁山煤電公司，山西 呂梁 033000)

巷道圍巖穩(wěn)定性主要取決于圍巖應力、圍巖性質(zhì)和圍巖支護，有效地進行巷道圍巖控制的一個重要前提是對巷道圍巖工程地質(zhì)條件的準確評價以及圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的定量認識［1－2］。目前，煤礦巷道支護難的主要原因是對巷道工程地質(zhì)條件和圍巖結(jié)構(gòu)認識不清，支護對象不明確。為科學有效地進行大傾角煤層巷道的支護和維護，本文以山西呂梁龐龐塔煤礦10#煤工作面回采巷道為試驗研究對象，采用鉆孔窺視儀對大傾角煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)進行全斷面探測，實現(xiàn)大傾角煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)與破裂范圍的精確空間定位，從而為進行大傾角煤層巷道支護形式與支護參數(shù)的選擇提供了直觀可靠的工程地質(zhì)依據(jù)。

1 測試巷道基本工程地質(zhì)概況

現(xiàn)場測試工作于2010年3月15日開始，至3月18日結(jié)束。測試巷道選擇為山西呂梁龐龐塔煤礦10#煤10－101工作面回采巷道，10－101工作面地面標高1 170～1 266 m，工作面標高905～995 m，平均埋深268 m。工作面地面位于工業(yè)廣場南部，楊家?guī)X以北，屬于高山丘林區(qū)，地表為侵蝕黃土為主，其次為黃土溝谷地貌中的沖溝，蓋山厚度265～271 m。工作面井下位于10#煤一采區(qū)三條上山左翼，東部是10－103工作面，西部為10－101泄水巷，南部為工業(yè)廣場保安煤柱，頂部為原5#煤采空區(qū)，層間距約為60 m。10－101工作面所采10#煤層節(jié)理發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復雜，煤層中部夾3層碳質(zhì)泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。10－101工作面的煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層情況表

2 巷道圍巖監(jiān)測斷面布置

2．1 監(jiān)測儀器與工作原理

對于煤礦井下巷道，除對巷道揭露的巖體可以通過肉眼直接進行描述外，在沒有揭露的巖體中，要了解巖體結(jié)構(gòu)，就必須采用其它方法。其主要觀測方法包括超聲波法、地質(zhì)雷達、地震層析成像技術(shù)、地震技術(shù)、孔壁印模法、巖芯采取法等。本次試驗主要采用鉆孔窺視儀進行圍巖結(jié)構(gòu)現(xiàn)場探測，鉆孔窺視儀器采用武漢長盛公司的JL－IDOI2007智能鉆孔電視成像儀。

鉆孔窺視儀的基本工作原理是利用CCD攝像頭把光線轉(zhuǎn)變成電子訊號，通過電纜將訊號輸送到圖像接收儀上，觀察、記錄、存儲鉆孔結(jié)構(gòu)圖像，并可與計算機連接，分析和處理圖像，能直觀、清晰地反映巷道圍巖的結(jié)構(gòu)情況，見圖1。

圖1 智能鉆孔窺視儀原理圖

該鉆孔窺視儀適用于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)找礦、巖土工程、礦山等部門;適用于垂直孔、水平孔和傾斜孔(俯角、仰角)，錨索(桿)孔、地質(zhì)鉆孔和混凝土鉆孔等各類鉆孔，可形成數(shù)字化鉆孔巖芯，永久保存，特別適合于無法取得實際巖芯的破碎帶地層。此儀器的攜帶及拆裝都很方便，一個2人小組在1 h之內(nèi)可完成3～4個鉆孔的觀測。通過井下實際應用，證明該電子鉆孔窺視儀是比較適合巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察的儀器。

2．2 監(jiān)測斷面布置

為實現(xiàn)對龐龐塔煤礦大傾角煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)進行全斷面精確探測，選擇了10－101工作面回采巷道作為測試段，在測試巷道段共計布置了3組監(jiān)測斷面進行監(jiān)測，見圖2，每組監(jiān)測斷面的鉆孔布置見圖3，各斷面的每個鉆孔分別按左幫、右?guī)?、左頂、右頂?shù)姆绞竭M行命名。

圖2 巷道圍巖監(jiān)測斷面布置圖

在每個監(jiān)測斷面的頂板分別布置2個鉆孔，鉆孔直徑為d28 mm，鉆孔深度為8．0 m，用于監(jiān)測巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)及巖體裂隙發(fā)展情況;在左右兩幫各布置1個鉆孔，鉆孔直徑為d28 mm，鉆孔深度為3．0 m，用于監(jiān)測巷道兩幫煤體的裂隙發(fā)展及破壞情況，見圖3。鉆孔鉆出以后，須對鉆孔用水沖洗2～3 min，以防止鉆孔內(nèi)的粉塵影響儀器成像的清晰度。

圖3 監(jiān)測斷面鉆孔布置圖

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

巷道圍巖監(jiān)測斷面布置完成以后，利用JLIDOI2007智能鉆孔電視成像儀對這12個鉆孔進行了現(xiàn)場探測。由于圖形較多，在此僅給出斷面Ⅰ鉆孔窺視圖像，見圖4。

圖4 斷面Ⅰ鉆孔窺視圖像

根據(jù)現(xiàn)場對3組斷面窺視獲得的鉆孔圖像，對其進行了系統(tǒng)地分析與整理，得出了巷道頂板和兩幫圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征，見表2，表3，表4。

表2 斷面Ⅰ圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征

表3 斷面Ⅱ圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征

表4 斷面Ⅲ圍巖結(jié)構(gòu)與破裂特征

根據(jù)表2、表3和表4對大傾角煤層巷道不同位置處的圍巖結(jié)構(gòu)特征的分析與總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

1)工作面頂板巖性差異變化很大，頂板巖層并不是如礦區(qū)所提供的地質(zhì)資料(表1)那樣一成不變，這就要求在進行巷道支護設(shè)計時要及時、準確地對巷道圍巖結(jié)構(gòu)進行探測，進而提出更加符合實際的動態(tài)的巷道支護形式與參數(shù)，而不能對同一條巷道全部采用同樣的支護方案。

2)巷道圍巖的破裂范圍隨著巷道表面暴露時間的延長而迅速增加，在巷道掘進頭(巷道剛剛暴露)，頂板煤層的破壞范圍僅僅為0．6 m;在距離掘進頭80 m處(巷道暴露約1個星期左右)，頂板煤層在巷道表面以及巖層分界面處產(chǎn)生破壞，在表面淺部的破壞范圍為0．8 m，在巖層分界面處的破壞范圍為0．6 m;在距離掘進頭160 m處(巷道暴露約2個星期左右)，頂板煤層已經(jīng)完全破碎。

3)巷道頂板巖層(除頂煤外)的破壞方式大都為沿著水平裂隙或者弱面方向開裂，這說明巷道頂板巖層的本身強度(彈性模量、抗壓強度等)很高，但是巖層內(nèi)部的節(jié)理和弱面的強度卻很低，是容易發(fā)生破壞的地方，在進行巷道支護設(shè)計時，應當考慮巖層破壞這個重要特征。

4)由于煤層傾角較大，巷道兩幫變形破壞表現(xiàn)出非對稱的特征，且非對稱特征與煤層的傾斜方向有關(guān)，在煤層傾斜方向的上側(cè)面(即巷道左幫)煤體的變形破壞要比煤層傾斜方向的下側(cè)面(即巷道右?guī)?煤體嚴重，這與已有的研究成果是一致的［3－5］。

［1］ 陳炎光，陸士良．中國煤礦巷道圍巖控制［M］．徐州：中國礦業(yè)大學出版社．1994：61－64．

［2］ 董方庭．巷道圍巖松動圈支護理論及應用技術(shù)［M］．煤炭工業(yè)出版社，2001：35－40．

［3］ 孫曉明，張國鋒，蔡 峰，等．深部傾斜巖層巷道非對稱變形機制及控制對策［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(6)：1137－1143．

［4］ 華道友，平壽康．大傾角煤層礦壓顯現(xiàn)立體相似模擬［J］．礦山壓力與頂板管理，1999，3(4)：100．

［5］ 曹樹剛，熊文述，黎 洪，等．大傾角巷道受力變形有限元法分析［J］．礦山壓力與頂板管理，1999，3(4)：101－103．