白艷飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

為確保巷道圍巖支護(hù)可靠，支護(hù)設(shè)計(jì)要充分結(jié)合煤層頂?shù)装鍑鷰r特性和地質(zhì)條件，選擇合理的掘進(jìn)層位，控制好層間距，依靠堅(jiān)固性較好的巷道支護(hù)，從而減少人工材料的投入，確保作業(yè)環(huán)境和支護(hù)強(qiáng)度的安全可靠[1-2]。鉆孔窺視可以在井巷工程施工中直觀、清晰地觀察錨桿、錨索眼壁的圍巖情況，對(duì)于孔內(nèi)的裂隙發(fā)育、巖石破碎、煤層情況等能夠進(jìn)行直觀判斷與評(píng)價(jià)，從而為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)，具有較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

1 概況

泰山隆安煤礦11309工作面位于11#煤三采區(qū)中部，工作面東部為實(shí)體煤，西部為井田邊界及保德煤礦，北部為11#煤南翼主要回風(fēng)大巷，向南掘進(jìn)范圍內(nèi)為實(shí)體煤。工作面沿走向布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1325 m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為240 m，布置有11309運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽，外段布置有一條回撤聯(lián)絡(luò)巷，為工作面采閉后回撤支架服務(wù)。工作面主采煤層為11#煤，上下兩巷沿煤層底板掘進(jìn)，與東部11307備采工作面留設(shè)有30 m寬保護(hù)煤柱。11309工作面位置關(guān)系平面示意圖如圖1。

圖1 11309工作面位置關(guān)系平面示意圖

工作面11#煤層厚度為1.4～2 m，均煤1.6 m，呈塊狀，局部含有夾矸。煤層直接頂為泥巖，局部偽頂為炭質(zhì)泥巖，呈深灰色，巖層厚度為1.8 m；基本頂為粗粒砂巖，厚度在3.5～4 m間，呈灰色-灰白色，層理明顯，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。直接底為砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖，厚度為4.6 m；基本底為粗砂巖，均厚10.3 m。根據(jù)工作面周邊已探查的地勘鉆孔，對(duì)該工作面巖石力學(xué)特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，測(cè)得力學(xué)特征主要參數(shù)見表1。

表1 11309工作面主要巖石力學(xué)參數(shù)

2 鉆孔窺視分析

為準(zhǔn)確掌握巷道周邊圍巖裂隙發(fā)育情況，根據(jù)現(xiàn)有巷道位置關(guān)系及支護(hù)變形情況，在11309工作面回撤通道與運(yùn)輸順槽共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔窺視。窺視位置示意圖如圖2。

圖2 窺視位置示意圖（m）

為直觀了解錨桿、錨索周邊圍巖不同孔深裂隙發(fā)育情況、應(yīng)力集中情況及受力特征等信息，以回撤聯(lián)絡(luò)巷和運(yùn)輸順槽交叉口的Ⅰ號(hào)測(cè)點(diǎn)為例分析，選用8 m長(zhǎng)錨索進(jìn)行錨固，對(duì)巷道頂板和巷幫均布置探孔觀測(cè)，利用窺視儀探管對(duì)鉆孔內(nèi)煤巖層和裂隙情況進(jìn)行觀察，從而對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提高支護(hù)強(qiáng)度。鉆孔窺視效果圖如圖3。

圖3 鉆孔窺視效果圖

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果顯示：在開孔至里段4.8 m為煤層，在5～8 m段為砂質(zhì)泥巖，開孔向里1.61 m處孔壁顯示存在一條明顯的縱向裂隙，深入探管至2.6 m處孔壁出現(xiàn)不均勻、不規(guī)則橫向環(huán)狀裂隙，呈現(xiàn)出擠壓破碎狀態(tài)，2.85 m處出現(xiàn)兩條縱向裂隙，且孔壁破碎，直到孔深4.8 m過煤段后，孔壁趨于均勻規(guī)則，但孔徑明顯變小，說明該段受力較大，處于應(yīng)力集中區(qū)域，造成鉆孔縮徑，7.16 m到8 m終孔段，孔徑均一，無裂隙發(fā)育，巖層分布較平緩，說明處于弱應(yīng)力區(qū)，鉆孔成型較好。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及效果分析

3.1 優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)

煤礦巷道頂板支護(hù)中，常采用錨桿錨索+金屬網(wǎng)復(fù)合支護(hù)方式對(duì)頂板進(jìn)行加固，通過均勻打設(shè)錨桿、錨索對(duì)頂幫圍巖起到耦合支護(hù)作用，而且規(guī)則的間排距布置，能夠有效分解圍巖應(yīng)力，使得集中應(yīng)力得到分散，從而減輕作用在巷道頂幫的應(yīng)力，減緩移近量和巷道變形[3-4]。

通過對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)的窺視圖可以分析得出結(jié)論，在鉆孔內(nèi)2～5 m區(qū)段由于受到裂隙發(fā)育影響，孔內(nèi)巖性較破碎，處于巖石強(qiáng)度弱化區(qū)，造成應(yīng)力較為集中；5～8 m區(qū)段，巖層分布較為穩(wěn)定，巖石自然強(qiáng)度較高，圍巖應(yīng)力相對(duì)較弱。因此，根據(jù)鉆孔內(nèi)窺的煤巖層性質(zhì)及規(guī)律進(jìn)行支護(hù)方式設(shè)計(jì)優(yōu)化如下：原有舊支護(hù)方式采用左旋螺紋鋼錨桿，由于螺紋長(zhǎng)度的限制，導(dǎo)致錨桿錨固位置處于巖層破碎帶，導(dǎo)致錨固失效。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化方案選用高強(qiáng)度右旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，且錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將原有錨索設(shè)計(jì)間排距1600 mm×2000 mm，減少為1400 mm×2000 mm，錨索長(zhǎng)度由6300 mm調(diào)整為8200 mm；將原有的左旋錨桿調(diào)整為多種規(guī)格錨桿分區(qū)布置，即頂板錨桿選用Φ22 mm×2500 mm左旋錨桿，而幫部支護(hù)選用Φ20 mm×2000 mm右旋全螺紋錨桿，頂幫錨桿間排距分別為1100 mm×1000 mm、1000 mm×1000 mm。優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

3.2 效果分析

為觀測(cè)優(yōu)化后的支護(hù)方案設(shè)計(jì)效果，在6個(gè)鉆孔窺視儀觀測(cè)點(diǎn)中打設(shè)的錨桿頂端加裝液壓枕，用于實(shí)時(shí)采集錨桿承壓后的受力變化情況。經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在打設(shè)錨桿后10 d內(nèi)，錨桿受力變化波動(dòng)較明顯，處于應(yīng)力重新分布疊加時(shí)段。當(dāng)錨桿發(fā)揮作用，應(yīng)力分布趨于平衡之后，受力不再產(chǎn)生變動(dòng)。以其中1#、2#、3#三個(gè)測(cè)點(diǎn)為例，1#測(cè)點(diǎn)在第3天應(yīng)力達(dá)到峰值2.1 MPa，之后處于波動(dòng)期，直到第13天穩(wěn)定在1.6 MPa左右；2#測(cè)點(diǎn)在第5天應(yīng)力達(dá)到峰值1.7 MPa，之后應(yīng)力處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，基本穩(wěn)定在1.5 MPa左右；3#測(cè)點(diǎn)在第4天應(yīng)力達(dá)到峰值4.3 MPa，之后下降穩(wěn)定在3.3 MPa左右。說明在打設(shè)錨桿之后支護(hù)穩(wěn)定強(qiáng)度與應(yīng)力峰值之間變化不大，雖然略有下降，但能夠處于動(dòng)態(tài)平衡之中，維持良好的支護(hù)效果，減少圍巖的變形量。優(yōu)化設(shè)計(jì)后支護(hù)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)曲線圖如圖5。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后支護(hù)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)曲線圖

除對(duì)錨桿支護(hù)強(qiáng)度分析外，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)后頂板移近量做出數(shù)據(jù)分析。通過預(yù)設(shè)光纖頂板離層儀在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，分別對(duì)222測(cè)點(diǎn)和226測(cè)點(diǎn)的多個(gè)采集通道數(shù)據(jù)分析。將采集器布置在孔深7 m和3 m處，每個(gè)測(cè)站可通過四個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在初期觀測(cè)的前10 d頂板下沉移近量變化較大，在巷道掘進(jìn)過后的25 d后，兩處測(cè)點(diǎn)的移近量再次增大，而且增速加快，說明在第10天后頂板相對(duì)穩(wěn)定，移近量較小，支護(hù)效果起到作用，而當(dāng)周期來壓出現(xiàn)時(shí)，頂?shù)装逡平考涌?。?yōu)化設(shè)計(jì)后頂板移近量變化如圖6。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后頂板移近量變化曲線圖

4 結(jié)論

（1）巷道在采掘活動(dòng)過程中容易導(dǎo)致周邊圍巖原有應(yīng)力受到擾動(dòng)影響，打破力學(xué)平衡，造成巷道支護(hù)變形加快、出現(xiàn)頂板下沉和憋幫現(xiàn)象，尤其是在出現(xiàn)圍巖裂隙發(fā)育區(qū)域，原巖的支撐應(yīng)力減弱，導(dǎo)致巷道變形增大。

（2）利用鉆孔窺視技術(shù)分區(qū)段對(duì)圍巖進(jìn)行內(nèi)窺分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)破碎和裂隙區(qū)域，有針對(duì)性地選擇錨桿支護(hù)打設(shè)深度，調(diào)整錨固巖層層位，從而提升原巖和支護(hù)復(fù)合作用效果，提高支護(hù)強(qiáng)度，減少巷道變形量，便于優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。

（3）在支護(hù)方案優(yōu)化后，設(shè)置測(cè)站采集數(shù)據(jù)，從不同方面采集參數(shù)，驗(yàn)證優(yōu)化后的支護(hù)效果，經(jīng)過數(shù)據(jù)反饋分析，進(jìn)一步調(diào)整支護(hù)方式，提高支護(hù)強(qiáng)度，延長(zhǎng)巷道服務(wù)年限。