特厚煤層綜放工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性測(cè)試與分析

特厚煤層綜放工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性測(cè)試與分析

1工作面分布及圍巖結(jié)構(gòu)在回采道路開(kāi)挖后，原始爐的平衡狀態(tài)受到破壞，道路圍巖的應(yīng)力再次分布。道路周?chē)囊欢ǚ秶鷥?nèi)有應(yīng)力集中。當(dāng)電壓高于煤體的極限電壓時(shí)，道路周?chē)囊欢ǚ秶鷥?nèi)的煤體變形和破壞。范圍的電壓降低，電壓釋放。圍巖破裂、裂縫和變形形成一個(gè)松動(dòng)的圈。除了圍巖強(qiáng)度、原巖強(qiáng)度、道路段的大小、道路段的形狀、開(kāi)挖方法和其他因素的影響外，松環(huán)的大小與道路保護(hù)的類(lèi)型和防護(hù)參數(shù)之間也有很大關(guān)系。因此，道路圍巖的松動(dòng)環(huán)大小是決定支撐強(qiáng)度的重要依據(jù)，尤其是確定錨桿長(zhǎng)度的主要依據(jù)。此外，它還是評(píng)估道路圍巖穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。潞安礦業(yè)集團(tuán)石圪節(jié)煤礦上組3號(hào)煤2123工作面北面為1303工作面采空區(qū),南面為1302工作面采空區(qū),西面為井田邊界,隔離煤柱為30m,東面為2119工作面,形成了典型的孤島煤柱工作面,應(yīng)力十分集中。工作面開(kāi)切眼距上出口27m揭露有斷層,落差4.2m,沿著推進(jìn)方向沿展有1000多m,斷層逐漸向下出口延伸,斷層落差1.1～4.5m不等。工作面走向長(zhǎng)為93m,傾斜長(zhǎng)為1000m,工作面采用傾向短壁后退式開(kāi)采方法。3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定,煤層厚度6.5～7.1m,平均厚度6.6m;煤層傾角4～7°,平均為5°;煤層普氏系數(shù)1.5～2.0,為中硬煤層;煤層埋深260m。煤層基本頂為灰色的砂巖,中粒致密,厚度6.53m;直接頂為砂質(zhì)頁(yè)巖,中部夾有砂巖,厚8.02m;偽頂為泥質(zhì)頁(yè)巖,易冒落,厚0.02～0.10m;直接底為砂巖,堅(jiān)硬,局部夾砂頁(yè)巖,厚1.76m;基本底為灰黑色頁(yè)巖,致密,厚3.00m。根據(jù)2123工作面現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查及力學(xué)理論所計(jì)算的圍巖破壞范圍充分考慮各種構(gòu)造弱面和軟弱薄夾層對(duì)圍巖的影響,受巷道周邊巖層、巖性結(jié)構(gòu)組合和煤層性質(zhì)等多種因素影響,巷道圍巖松動(dòng)范圍有較大變化,因此為了進(jìn)行合理的支護(hù)方案設(shè)計(jì),對(duì)2123工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷開(kāi)展了圍巖松動(dòng)圈的實(shí)測(cè)。2煤體彈性體的特性在該礦2123工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷煤體松動(dòng)圈測(cè)試采用BA-Ⅱ型松動(dòng)圈測(cè)試儀,通過(guò)對(duì)被測(cè)煤體聲波參數(shù)的測(cè)試,可以對(duì)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,判斷煤體內(nèi)部破壞情況。巷道松動(dòng)圈測(cè)試采用一發(fā)一收的單孔測(cè)試傳感器,發(fā)射與接收裝置之間的距離為200mm。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。測(cè)試物體是以彈性體為前提條件的,當(dāng)煤體的尺寸及作用外力較小時(shí),相應(yīng)變形也較小,可以把煤體視為彈性體。超聲波是由聲波儀振蕩器產(chǎn)生的高壓電脈沖信號(hào)加在發(fā)射換能器,發(fā)射換能器受到激發(fā)產(chǎn)生瞬態(tài)的振動(dòng)信號(hào),該振動(dòng)信號(hào)經(jīng)發(fā)射換能器與煤體之間的耦合后在巖體介質(zhì)中傳播,從而攜帶煤體內(nèi)部信息到達(dá)接收換能器,接收換能器把接收到的振動(dòng)信號(hào)再轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳給聲波儀,經(jīng)聲波儀放大處理后,顯示出超聲波穿過(guò)煤體的聲時(shí)、波速等參數(shù)。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(wèn)題的靜力方程推導(dǎo),可得出超聲波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系。Vp=E(1?μ)ρ(1?μ)(1?2μ)?????????√(1)Vs=E2ρ(1+μ)??????√(2)Vp=E(1-μ)ρ(1-μ)(1-2μ)(1)Vs=E2ρ(1+μ)(2)式中:Vp,Vs分別為煤體的縱波和橫波速度;E,μ,ρ分別為煤體的彈性模量、泊松比和密度。從上式中可以看出,超聲波在煤體中的傳播速度與煤體的彈性模量、泊松比以及密度有關(guān),而煤體的彈性模量、泊松比和密度與煤塊自身抗壓強(qiáng)度、密實(shí)程度直接相關(guān),因此煤體的波速就可以間接反映煤塊抗壓強(qiáng)度以及內(nèi)部破壞情況,通過(guò)回采巷道兩幫不同深度處聲時(shí)和波速的變化規(guī)律,可以確定巷道周?chē)鷩鷰r的松動(dòng)圈大小。3松動(dòng)圈測(cè)試3.1動(dòng)圈測(cè)點(diǎn)布置由于影響松動(dòng)圈的因素較多,為提高測(cè)試的可靠性,根據(jù)以下方法進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試:本次松動(dòng)圈測(cè)試共布置4個(gè)測(cè)站,每一個(gè)測(cè)站布置2個(gè)點(diǎn),由于巷道的一幫是2m的煤柱,因此測(cè)孔都布置在實(shí)體煤中,共計(jì)8個(gè)測(cè)孔。由于煤幫相對(duì)巖巷比較軟,測(cè)量鉆孔采用煤電鉆打孔。鉆孔方位基本與巷道垂直,鉆頭直徑42mm,孔深在4～5m。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。3.2煤巖粉耦合測(cè)量測(cè)試方法,原理如下2123工作面運(yùn)輸巷圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用單孔測(cè)試法,測(cè)孔鉆成后及時(shí)進(jìn)行測(cè)試,沒(méi)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,耦合方式采用水耦合。聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀連接探頭通電預(yù)熱后,用推桿將探頭送入孔底,同時(shí)采用膠皮管向鉆孔中注水,為保證儀器發(fā)射與接收裝置充分與煤體耦合,采用膠皮管水頭與探頭同步移動(dòng)的方式。用推桿將探頭向外每移動(dòng)10cm讀1次聲,直到孔口為止。3.3煤體內(nèi)滑動(dòng)圈測(cè)試2123工作面運(yùn)巷松動(dòng)圈測(cè)試波速如圖2所示。通過(guò)對(duì)石圪節(jié)煤礦2123工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷4個(gè)測(cè)站,共計(jì)8個(gè)測(cè)孔測(cè)試情況可以看出,該回采巷道圍巖的松動(dòng)圈范圍0.9～1.5m,隨著測(cè)站距工作面越近,煤壁的松動(dòng)圈越大,主要原因是煤體受到采動(dòng)支承壓力的影響,壓力越大,破壞深度越大。其中運(yùn)輸巷測(cè)孔1的松動(dòng)范圍達(dá)到1.5m,可能是裂隙比較發(fā)育或水沒(méi)有流到孔底由裂隙滲漏沒(méi)有起到耦合作用所致。圖2中都出現(xiàn)異常點(diǎn)主要是由于煤體內(nèi)在該處存在裂隙或軟弱夾層。文獻(xiàn)經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試及松動(dòng)圈與巷道支護(hù)難易程度相關(guān)關(guān)系的調(diào)研,結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理,依據(jù)圍巖松動(dòng)圈的大小將圍巖分為:小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖(0～0.4m),中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖(0.4～1.5m)和大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖(>1.5m)3個(gè)大類(lèi)。根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試數(shù)據(jù)所得到的測(cè)試曲線,可知石圪節(jié)煤礦2123工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷屬于一般穩(wěn)定圍巖,個(gè)別地方巷道圍巖屬于不穩(wěn)定圍巖。因此,在采動(dòng)支承壓力范圍以外,需對(duì)巷道兩幫煤體進(jìn)行加固,使煤體在支承壓力的影響下不至于變形劇烈,能夠保證回采的順利進(jìn)行。4現(xiàn)場(chǎng)滑動(dòng)圈測(cè)試1)根據(jù)2123工作面的特點(diǎn),充分考慮影響松動(dòng)圈的因素,在運(yùn)用單孔測(cè)試法測(cè)試松動(dòng)圈的實(shí)踐中,根據(jù)實(shí)際情況做了合理的測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試,測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性能夠滿(mǎn)足分析研究的需要。2)現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試確定石圪節(jié)煤礦2123工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的松動(dòng)圈范圍在0.9～1.5m,隨著測(cè)站距工作面越近,煤壁