申李華

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046031)

圍巖松動(dòng)圈的測(cè)試是選擇巷道支護(hù)方案和圍巖穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了大量研究。董方庭等[1]初步建立了巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論、分類方法和錨噴支護(hù)機(jī)理等三個(gè)有機(jī)部分，并進(jìn)行了大面積推廣和繼續(xù)完善理論等技術(shù)工作。李宏業(yè)等[2]對(duì)龍首礦4102回風(fēng)巷距離回采工作面前方45 m、60 m、75 m、90 m和105 m處的煤壁進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，并且對(duì)比了巷道支護(hù)圍巖松動(dòng)圈分類表，確定了圍巖特性。方冉等[3]對(duì)直墻等各種拱形斷面進(jìn)行了多樣本的測(cè)試分析，界定巷道松動(dòng)的范圍和界限，統(tǒng)計(jì)分析了各種類型巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍，揭示了它的發(fā)育規(guī)律，并且對(duì)巷道支護(hù)方案提供了技術(shù)依據(jù)。楊占國(guó)等[4]分析了高應(yīng)力半煤巖異形巷道圍巖塑性區(qū)變化發(fā)展趨勢(shì)，并且對(duì)高應(yīng)力半煤巖異形巷道的結(jié)構(gòu)變形機(jī)制進(jìn)行了研究。根據(jù)相關(guān)學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[5-8]：在同一水平巖石強(qiáng)度越大松動(dòng)圈越小，在不同水平、同一巖層，埋深越大松動(dòng)圈越大，受采動(dòng)影響后松動(dòng)圈明顯變大；在巖石強(qiáng)度不變時(shí)，原巖應(yīng)力的增加，松動(dòng)圈將隨之增大。影響圍巖松動(dòng)圈的主要因素包括圍巖應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、采深、礦井開采臨界深度、采動(dòng)次數(shù)及支護(hù)強(qiáng)度[9-12]。

鑒于此，文章以王莊煤礦9105運(yùn)巷為背景，研究了瓦斯抽采孔對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈的影響，對(duì)王莊煤礦煤巷圍巖錨網(wǎng)支護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

9105工作面位于王莊煤礦91采區(qū)，主采二疊系3號(hào)煤層，煤層均厚6.8 m，煤層夾矸厚度0.35 m，煤層傾角3～7°，煤的普氏系數(shù)f為1～1.5，屬于中硬煤層，埋深約450 m。煤層瓦斯壓力為0.3～0.48 MPa，瓦斯含量為9.89 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.010 6～0.073 4 m2/(MPa2·d)，屬于高瓦斯低透氣性煤層。煤層開采前，需要布置高抽巷進(jìn)行瓦斯抽采。

9105運(yùn)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 350 m，沿煤層底板掘進(jìn)；巷道斷面為矩形斷面，尺寸為5.5 m×3.6 m，直接頂為2.0 m厚的泥巖，老頂為14.0 m厚的中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，直接底為1.8 m厚的泥巖，老底為2.0 m厚的粉砂巖。

1.2 工程概況

9105運(yùn)巷支護(hù)方式是:錨桿間排距為850 mm×900 mm，錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿；錨索規(guī)格為D22 mm×9 300 mm，間排距為2 000 mm×1 800 mm；鋪設(shè)金屬網(wǎng)和D14 mm×5 300 mm×80 mm圓鋼焊制的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×12 mm的托板。

瓦斯抽采孔參數(shù)布置情況：9105運(yùn)巷兩幫部各布置一排鉆孔，瓦斯抽采鉆孔直徑為120 mm，傾角為-5～2°，鉆孔施工長(zhǎng)度為180 m，鉆孔封孔長(zhǎng)度為20 m，鉆孔間距為3.0 m。

瓦斯抽采情況：9105運(yùn)巷瓦斯抽采孔于2015年10月開始布置，截至2019年8月位置進(jìn)行不間斷抽采。抽采負(fù)壓18 kPa，末期的抽采濃度在3%～18%之間，根據(jù)實(shí)際情況，9105工作面采前預(yù)抽孔抽為6 m3/min。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在工作面回采過(guò)程中巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，對(duì)煤炭資源高效開采存在較大的安全隱患。

2 測(cè) 試

2.1 測(cè)試原理

9105運(yùn)巷圍巖松動(dòng)圈測(cè)試實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，來(lái)預(yù)測(cè)圍巖的破壞情況。根據(jù)彈性理論，由彈性波的波動(dòng)方程通過(guò)彈性力學(xué)空間問題的靜力方程推導(dǎo)，可得出超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系。

式中：VS為巖體的橫波速度；E為巖體的彈性模量；μ為巖體的泊松比；ρ為巖體的密度。

2.2 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法

9105運(yùn)巷松動(dòng)圈測(cè)試采用山東昊洲礦業(yè)安全裝備有限公司生產(chǎn)的CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀(又名超聲波圍巖松動(dòng)檢測(cè)儀)，為單孔測(cè)試法，如圖1所示。本儀器用于探測(cè)圍巖松動(dòng)、裂隙范圍，為井巷設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)，儀器為礦用本質(zhì)安全型。可用于瓦斯礦井、金屬礦井、隧道及地下工程圍巖定性評(píng)析，是國(guó)內(nèi)目前探測(cè)圍巖松動(dòng)圈、國(guó)巖裂隙最先進(jìn)最有科學(xué)依據(jù)的儀器。

圖1 CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀

該儀器是發(fā)射和接收超聲波縱波波速的儀器，縱波速度是通過(guò)測(cè)定鉆孔中的一定距離(探頭長(zhǎng)度)圍巖的超聲波傳播時(shí)間計(jì)算出來(lái)的。發(fā)射換能器F在鉆孔中發(fā)射超聲波，沿鉆孔壁滑行傳播。發(fā)射換能器F發(fā)射超聲波的同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)，當(dāng)接收換能器J收到的超聲波信息后停止計(jì)時(shí)，儀器主機(jī)顯示測(cè)出的是聲波在F-J間的傳播時(shí)間，由此可計(jì)算出該段孔壁處縱波傳播的波速見式(1)。由此，不同巖性及不同破碎程度的圍巖其縱波傳播的波速不同，通過(guò)測(cè)試可以計(jì)算出來(lái)。

(1)

式中：l為換能器F-J間距，l=0.14 m；t為測(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)，單位為μs。

當(dāng)在軟巖或煤層中測(cè)試時(shí)，因聲波衰減較快，接收到的可能不是首波信號(hào)，其讀數(shù)可能偏大1～4周期(t=33 μs)，以此計(jì)算出的波速已不準(zhǔn)確 ，但對(duì)圍巖裂隙(松動(dòng))的范圍的判斷無(wú)影響。

本儀器采用單孔測(cè)試法，測(cè)孔鉆成后及時(shí)進(jìn)行測(cè)試，沒有出現(xiàn)測(cè)孔變形或坍塌現(xiàn)象，測(cè)試前用壓力水沖洗每個(gè)測(cè)孔，把測(cè)孔中的煤巖粉沖洗干凈，耦合方式是采用水來(lái)進(jìn)行耦合。智能聲波檢測(cè)儀連接探頭通電預(yù)熱后，用推桿將探頭送入孔底，然后緩慢地拉動(dòng)推桿將探頭，向外每移動(dòng)10 cm讀一次聲時(shí)，直到孔口為止。在探測(cè)過(guò)程中，為避免某一點(diǎn)巖石破碎狀態(tài)以及井下很多因素帶來(lái)的影響，選擇具有普遍代表意義的點(diǎn)用來(lái)測(cè)量。

2.3 測(cè)試方案

測(cè)試地點(diǎn)選擇9105運(yùn)巷兩幫部，布置3個(gè)測(cè)站(圖2(a))，每個(gè)測(cè)站左右?guī)透鞑贾?個(gè)測(cè)點(diǎn)(左幫為9105工作面幫，右?guī)蜑閷?shí)體煤幫)，測(cè)站間距50 m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)2個(gè)測(cè)孔(圖2(b))，每測(cè)點(diǎn)處的測(cè)孔分別為距瓦斯抽采孔水平距離0.3 m和距瓦斯抽采孔水平距離1.5 m(瓦斯抽采孔間距為3.0 m，孔徑為120 mm)。測(cè)孔直徑為44～48 mm，孔深3.2 m，距幫部底板高1.4 m，角度為水平向下3～5°。

圖2 9105運(yùn)巷松動(dòng)圈測(cè)試鉆孔布置

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 距瓦斯抽采孔0.3 m時(shí)結(jié)果分析

圖3、圖4分別為9105運(yùn)巷距離瓦斯抽采孔水平距離約0.3 m處左右?guī)蜏y(cè)站超聲波傳播速度，其中圖3為工作面幫(左幫)的煤體超聲波傳播速度大多數(shù)在100～1 000 m/s之間跳躍，三個(gè)測(cè)孔的波速變化幅度較??；而實(shí)體煤(右?guī)?在此范圍內(nèi)煤體超聲波在100～2 000 m/s范圍內(nèi)變化，且不同測(cè)站之間測(cè)孔波速變化較大。由此表明，9105運(yùn)巷距瓦斯抽采孔0.3 m處，工作面幫煤體松動(dòng)破壞程度較大，實(shí)體煤幫松動(dòng)破壞程度相對(duì)較小，但左右?guī)兔后w松動(dòng)破壞程度差別不大；從9105運(yùn)巷礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，工作面幫煤壁變形量比實(shí)體煤幫大，與其兩幫松動(dòng)破壞程度相一致。

圖4 9105運(yùn)巷右?guī)蜏y(cè)站超聲波傳播速度

3.2 兩瓦斯抽采孔中間位置結(jié)果分析

圖5、圖6分別為9105運(yùn)巷兩瓦斯抽采孔中間位置左右?guī)蜏y(cè)站超聲波傳播速度，其中圖5為工作面幫的煤體超聲波傳播速度大多數(shù)在800～1 500 m/s之間跳躍，三個(gè)測(cè)孔的波速變化幅度較??；實(shí)體煤在此范圍內(nèi)煤體超聲波在1 000～2 000 m/s范圍內(nèi)變化，且不同測(cè)站之間測(cè)孔波速變化也較大。由此表明，9105運(yùn)巷在兩瓦斯抽采孔中間位置處煤體松動(dòng)破壞程度工作面?zhèn)让后w大于實(shí)體煤測(cè)，但與距瓦斯抽采孔0.3 m距離煤體松動(dòng)破壞程度相比，其破壞程度明顯降低。

圖5 9105運(yùn)巷左幫測(cè)站超聲波傳播速度

圖6 9105運(yùn)巷右?guī)蜏y(cè)站超聲波傳播速度

4 錨桿支護(hù)下瓦斯抽采孔布置對(duì)策

從松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果來(lái)看，瓦斯抽采鉆孔布置對(duì)巷道幫部煤體松動(dòng)破壞程度影響較大，嚴(yán)重影響了巷道錨桿支護(hù)效果，增加了巷道支護(hù)成本。因此，在布置瓦斯抽采鉆孔時(shí)，必須考慮瓦斯抽采鉆孔對(duì)巷道錨桿支護(hù)的影響，其控制對(duì)策有以下兩點(diǎn)：

1) 明確抽采鉆孔在煤體中的塑性破壞范圍。不同孔徑的瓦斯抽采鉆孔在礦山壓力的作用下發(fā)生變形破壞，在一定程度上影響煤體完整性。

2) 瓦斯抽采鉆孔布置盡可能遠(yuǎn)離錨桿所在位置：①將瓦斯抽采鉆孔布置在同一水平兩錨桿中間位置；②將瓦斯抽采鉆孔布置在周圍四根錨桿中間位置。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)王莊煤礦9105運(yùn)巷煤體超聲波松動(dòng)破壞測(cè)試，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采孔布置對(duì)煤體塑性破壞造成一定的影響，在兩瓦斯抽采孔中間位置處煤體塑性破壞范圍工作面?zhèn)让后w大于實(shí)體煤測(cè)，但與距瓦斯抽采孔0.3 m距離的煤體相比，其塑性破壞范圍明顯降低。

2) 提出了巷道錨桿支護(hù)條件下，瓦斯抽采鉆孔布置對(duì)策，對(duì)錨桿支護(hù)巷道瓦斯抽采鉆具有重要的指導(dǎo)意義。