深井软岩回采巷道围岩松动圈监测分析及支护方案设计_徐景果.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0180引言巷道开挖后煤岩体的原有应力平衡状态被打破，巷道围岩应力重新分布，而深井软岩回采巷道同时受到高水平应力与采动应力的共同作用，应力集中现象明显，煤岩体中存在多种结构面，控制着煤岩体的力学性质及其变形与破坏特征，当煤岩体所受应力大于起裂应力时，围岩内部将沿结构弱面产生新的裂纹，当应力大于煤岩体的极限应力时，煤岩体深井软岩回采巷道围岩松动圈监测分析及支护方案设计徐景果，彭伟，刘正辉（陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 彬州713500）摘要：巷道开挖后煤岩体的原有应力平衡状态被打破，深井软岩回采巷道同时受到高水平应力与采动应力的共同作用，应力集中产生的破坏极易形成较大范围的松动圈。以文家坡煤矿4105工作面运输巷为工程背景，采用全景摄像技术进行围岩裂隙发育程度及分布规律监测，并结合现场调研结果得出运输巷围岩松动圈的分布规律。研究表明：在回采过程中，两帮松动圈深度最大达3.5 m，顶板中央松动圈深度最大达1.2 m，巷道肩部松动圈深度最大达6.9 m，巷道底角塌孔现象严重，巷道变形破坏模式为典型的蝶形破坏模式。基于4105工作面运输巷围岩松动圈的分布规律，提出了4105运输巷补强方案，现场工业性试验表明该补强方案取得了预期的支护效果。根据上述研究成果，将自然平衡拱理论与现场松动圈演化规律相结合，对4107工作面运输巷支护方案进行了优化设计，目前方案已取得了良好的效果。关键词：深井软岩巷道；钻孔窥视；围岩松动圈；支护优化中图分类号：TD353;TD322文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 076 05Monitoring and Analysis of Surrounding Rock Loose Zone in DeepWell Soft Rock Mining Roadway and Design of Supporting SchemeXU Jingguo，PENG Wei，LIU Zhenghui（Shaanxi Binchang Wenjiapo Mining Co.,Ltd.,Binzhou 713500,China）Abstract:After roadway excavation,the original stress balance state of coal and rock mass is broken.The deep soft rock mining roadway is affected by high-level stress and mining stress at the same time.The damage caused by stress concentration is very easy to form a large range of loose circle.Taking thetransportation roadway of 4105 working face of wenjiapo coal mine as the engineering background,usepanoramic camera technology to monitor the development degree and distribution law of surroundingrock fissures,and obtains the distribution law of surrounding rock loose zone of transportation roadwaycombined with the field investigation results.The research shows that in the mining process,themaximum depth of the loose circle in the two sides is 3.5 m,the maximum depth of the loose circle inthe center of the roof is 1.2 m,and the maximum depth of the loose circle in the shoulder of theroadway is 6.9 m.The hole collapse in the bottom corner of the roadway is serious,and the deformationand failure mode of the roadway is a typical butterfly failure mode.Based on the distribution law ofloose zone of surrounding rock of transportation roadway in 4105 working face,a reinforcement schemeof 4105 transportation roadway is proposed.The field industrial test shows that the reinforcementscheme has achieved the expected support effect.According to the above research results,the supportscheme of transportation roadway in 4107 working face is optimized by combining the natural balancearch theory with the evolution law of field loose circle.At present,the scheme has achieved goodresults.Key words:deep well soft rock roadway;drilling peep;surrounding rock loosening zone;support tooptimize76裂隙相互连通，围岩将发生变形破坏，从而形成围岩松动圈。巷道围岩松动圈的测试技术很多，本文采用钻孔窥视技术对文家坡煤矿4105工作面运输巷开展钻孔窥视探测，研究裂隙在顶板、肩部、帮部、底角处的发育程度及分布规律，进而分析该区域巷道的围岩松动圈变化规律。根据研究结果，对支护方案及支护工艺进行优化设计，保持支护结构完整，为同类矿井安全高效开采提供借鉴。1工程概况4105工作面位于41盘区，是文家坡矿业公司第2个综放工作面。工作面煤层埋深536.4778.9 m，运输顺槽标高471377 m，走向长度2 873 m，倾向长度200 m。4105工作面回采期间将经过F21正断层，断层落差45.3 m，为北东走向，北西倾向。工作面老顶多为细粒砂岩、中砂岩或粗砂岩，厚度1.9513.3 m，平均5.45 m。工作面直接顶多为泥岩或细砂岩，厚度1.994.09 m，平均3.04 m，泥质胶结，弱风化岩体较完整成块状，含少量硕石，中间夹灰色泥岩薄层。直接底多为泥岩，厚度2.023.2 m，平均2.5 m，水平层理，夹灰绿色砂质泥岩，部分地段为铝质泥岩，薄层及细砂岩薄层，见镜煤条带。底板多为细砂岩泥质胶结，厚度3.186.4 m，平均4.5 m，弱风化岩体较完整成块状。2方案设计2.1松动圈监测设备及原理试验监测仪器采用CXK12（A）-Z矿用本安型钻孔成像仪。此成像仪采用2 000万像素全景摄像、成像仪技术；图像高保真，探头内置高精三维罗盘，可以量测任意全方位倾角的钻孔结构产状角度；实现视频录像、拼图成像、钻孔轨迹测量等多功能为一体的成像仪。剖面实时自动提取，图像清晰逼真，深度自动准确校准，可对所有的观测孔全方位、全柱面视频录制、轨迹及成像。全景摄像、成像仪技术可对钻孔结构进行有效地定量描述，根据平面展开图和立体柱状图可准确确定结构面的分布与位置，结构面倾角及张开宽度。通过多个钻孔的观测结果，可分析结构面的连通性及在较大范围的分布情况。2.2监测断面的布置在4105运输巷共设置7个数字成像监测孔位，1#孔为煤柱侧底角孔，孔深2 m，与水平方向夹角约为45；2#孔为煤柱侧帮部孔，孔深5 m；3#孔为煤柱侧肩部孔，孔深5 m，与竖直方向夹角约为20；4#孔为顶板孔，孔深10 m；5#孔为煤壁侧肩部孔，孔深5 m，与竖直方向夹角约为20；6#孔为煤壁侧帮部孔，孔深5 m；7#孔为煤柱侧底角孔，孔深2 m，与水平方向夹角约为45，具体布置图如图1所示。图1数字成像孔布置图3围岩松动圈监测结果分析为准确研究裂隙在顶板、肩部、帮部、底角处的发育程度及分布规律，于2021年4月6日（监测断面距离回采工作面70 m）、4月8日（监测断面距离回采工作面60 m）、4月11日（监测断面距离回采工作面45 m）、4月14日（监测断面距离回采工作面30 m）对文家坡煤矿4105运输顺槽监测断面进行了4次钻孔成像并选取具有代表性的成像结果进行分析。3.1超前区域巷道顶板及肩部钻孔窥视成像结果分析巷道顶板钻孔成像柱状展开图如图2所示，顶板孔钻孔成像为反向观测，由于钻孔深部杂质影响成像效果，故起测点为9 m。第1次钻孔成像结果显示孔壁存在泥浆护壁现象，经观测孔壁完整性较好，无明显破碎现象；第2次钻孔成像结果显示与上一次钻孔成像效果变化不大，顶板完整性较好；第3次钻孔成像结果显示顶板完整性好，无明显破碎现象。第4次钻孔成像结果显示距孔口0.76 m处新增1条纵向微裂隙，长度为6 cm，随着回采面的推进，孔壁新增纵向微裂隙，目前分布均在距孔口1.5 m范围内，顶板整体完整性较好。4105工作面运输巷顶板中央受采动影响较小，说明此处应力集中现象不明显。（a）第1次成像（b）第2次成像（c）第3次成像（d）第4次成像图2巷道顶板钻孔成像柱状展开图巷道肩部钻孔成像柱状展开图如图3所示，煤柱侧肩部孔第1次钻孔成像结果显示距孔口0.10.8 m出现较长的纵向裂隙，距孔口2.42.9 m出现205#肩部孔（9 m）4#顶板孔（10 m）3#肩部孔（9 m）202#帮部孔（5 m）1#底角孔（2 m）45456#帮部孔（5 m）7#底角孔（2 m）煤柱侧煤壁侧8.28.38.48.28.38.48.28.38.48.28.38.4第42卷第02期Vol.42 No.02深井软岩回采巷道围岩松动圈监测分析及支护方案设计徐景果，等起测点向外的距离/m起测点向外的距离/m起测点向外的距离/m起测点向外的距离/m纵向裂隙77较长的纵向裂隙，后面孔壁较完整，无明显裂隙。初步分析3#煤柱侧肩部孔围岩松动圈为3.0 m；第2次钻孔成像结果显示距孔口0.20.6、1.71.9、2.42.9、3.74.0 m出现较长的纵向裂隙，后面孔壁较完整，无明显裂隙。分析3#煤柱侧肩部孔围岩松动圈为4.0 m；第3次钻孔成像结果显示距孔口0.20.6、1.71.9、2.42.9、3.74.0 m出现较长的纵向裂隙，后面孔壁较完整，无明显裂隙。分析3#煤柱侧肩部孔围岩松动圈为4.0 m；第4次钻孔成像结果显示显示距孔口0.50.6、1.71.9、2.42.9、4.14.25、6.66.7 m出现较长的纵向裂隙，6.86.9 m处孔壁破碎脱落。分析3#煤柱侧肩部孔围岩松动圈为6.9 m。4105工作面运输巷肩部出现较长的纵向裂隙，且围岩松动圈范围较大，原有支护体系易于此位置发生拉剪混合破坏，需采取措施提高巷道肩部附近的支护承载能力。（a）第1次成像（b）第2次成像（c）第3次成像（d）第4次成像图3巷道肩部钻孔成像柱状展开图3.2超前区域巷道帮部钻孔窥视成像结果分析巷