巖體應(yīng)力條件對煤礦回采巷道支護(hù)變形和荷載的影響

王曉波

（山西同煤集團(tuán)朔州煤電公司，山西 大同 038300）

支架的變形和所受載荷均與地應(yīng)力條件、巖層強(qiáng)度參數(shù)等采礦條件有關(guān)。了解這些參數(shù)之間的關(guān)系對于有效的回采巷道支護(hù)管理是必不可少的。盡管在回采巷道支護(hù)設(shè)計領(lǐng)域有大量的文獻(xiàn)[1-2]，但缺乏應(yīng)力條件與回采巷道變化之間相關(guān)性的研究。

1 巷道地質(zhì)及開采條件

回采巷道371222位于當(dāng)?shù)刎Q井安全柱附近。該區(qū)塊被三個大構(gòu)造所限制，分別為：西部振幅400 m的斷塊、北部振幅100 m的A斷塊和南部振幅10 m的B斷塊。37a層在該區(qū)域沉積，平均深度在地表以下1050 m，方向為西北方向，呈9°～15°。

37a煤層底板為4 m厚的細(xì)粒砂巖層，下覆1.2 m厚的37b（524）煤層。37b煤層底板為2 m厚的粉砂巖層，其次為3.1 m厚的中粒砂巖層。

水力測透儀測得頂板、底板和煤層的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）分別為（平均值）：56.19 MPa、55.00 MPa和9.50 MPa。計算結(jié)果表明，頂板鉆孔取芯測井的平均RQD值可達(dá)85%。這兩個參數(shù)（UCS和RQD）表明，靠近371222回采巷道的地層致密，質(zhì)量良好。

2 測量方法

371222巷道周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況以及荷載作用在巷道上的測量工作是在為此專門準(zhǔn)備的測量站進(jìn)行的。測量站的示意圖如圖1所示。

首先，兩個水井在回采巷道屋頂和側(cè)壁Φ95 mm直徑和長度：10.0 m，3.0 m（圖1中1和2項）的透度計測試。根據(jù)試驗結(jié)果確定了所研究的回采巷道周圍巖石的強(qiáng)度。在穿透儀測試完成后，將鉆孔攝像機(jī)插入鉆孔中，以評估回采巷道s周圍巖體的裂縫。第一次測量在長壁工作面前方約180 m處進(jìn)行，隨后的測量在工作面接近時進(jìn)行。

在井下試驗中，在采場頂板內(nèi)的測點上使用了兩個長度為2.4 m、直徑為22 mm的儀器化鋼錨桿（圖1中第3項）。儀表式錨桿是一種用于測量錨桿中由于巖體位移而產(chǎn)生的軸向力的裝置。這種類型的錨桿是建立在一個標(biāo)準(zhǔn)鋼錨桿的基礎(chǔ)上，其承載能力為180 kN，應(yīng)變片張力傳感器已經(jīng)嵌入。

為了擴(kuò)大與頂板巖層質(zhì)量評價相關(guān)的地下測量[3]，安裝了三層高度指示器（圖1中第4項）。穩(wěn)定測量串的錨建在頂板巖石的三個高度上：2.0 m、5.0 m和10.0 m。

接下來測試的參數(shù)是SPN支撐載荷的測量。為此，四個液壓測功的測量范圍從0到600 kN被用于測試和安裝兩個相鄰的拱門下SPN集（圖1中第5項）的支持。因此，它是可能的測量產(chǎn)生的反應(yīng)部隊巖體荷載作用于支持，長壁側(cè)壁和對邊。另外，特殊類型的測力計與長筋柔性螺栓一起安裝在側(cè)壁上（圖1中項目6和7）。測力計應(yīng)該指示水平作用的力。

圖1 回采巷道371222測量站

圖1所示中，回采巷道371222測量站方案：10.0 m長鉆孔，用于測透儀和內(nèi)窺鏡照相機(jī)；測透儀和內(nèi)窺鏡照相機(jī)鉆孔長3.0 m；2.4 m儀表錨桿；三位置手動—讀數(shù)指示器（10.0 m、5.0 m、2.5 m）；液壓測力計—地板；液壓測功器—側(cè)壁；長筋柔性螺栓；水平和垂直收斂測量點；安裝應(yīng)力測量探頭的鉆孔。

在巷道中也測量了巷道的高度和寬度（收斂）的變化（圖1中項目8）。這些測試的目的是確定接近的長壁工作面對巷道變形大小的影響。根據(jù)研究方法[4]測量基準(zhǔn)安裝之間的SPN支持設(shè)置在屋頂,地板,和側(cè)壁（螺栓長度為0.5 m）。這些基準(zhǔn)構(gòu)成參考點測量和期間，因此，監(jiān)測工作的維度可能總是在同一平面上。使用便攜式激光測距儀測量特定基準(zhǔn)（屋頂、側(cè)壁、側(cè)壁）之間的距離。

同時進(jìn)行了巖體應(yīng)力測量。為此，增加了鉆孔和傳感器（圖1中項目9）。應(yīng)力測量方案涉及兩個方面[5-6]。首先應(yīng)用緊致錐端鉆孔復(fù)取心法確定巖體應(yīng)力張量；探頭直接粘在鉆孔的圓錐形底部，然后過芯。第二階段的應(yīng)力測量包括連續(xù)測量應(yīng)力變化的接近長壁。這些測量是通過緊湊的錐形端井眼監(jiān)測(CCBM)進(jìn)行的。

3 測量結(jié)果

3.1 變形和支撐負(fù)載結(jié)果

回采巷道371222的測量是在2018年5月至2018年11月期間進(jìn)行的。結(jié)果顯示表和圖表描述：收斂回采巷道和屋頂?shù)牡貙游灰疲▓D2），負(fù)載SPN支持設(shè)置和檢測錨桿的軸力分布（圖3）以及巖體應(yīng)力測量結(jié)果（表1和圖4）。

圖2 回采巷道371222

結(jié)果表明，長壁掘進(jìn)工作面的垂向收斂量為144 mm，水平收斂量為33 mm（圖2-1）；在閘口的垂向輻合過程中，底板隆起現(xiàn)象最為明顯。它構(gòu)成了約總垂直收斂值的85%?？偽灰浦颠_(dá)到20 mm在10 m的頂板巖石（圖2-2）。補(bǔ)充說明，內(nèi)窺鏡測試結(jié)果可以確定適當(dāng)數(shù)量的巖體裂縫。在直接靠近回采巷道的地層中，僅發(fā)現(xiàn)了3條裂縫（直接頂距0.8 m）。

利用水力測功器對SPN支護(hù)載荷的測量結(jié)果進(jìn)行分析表明，在長壁工作面前方約180 m處，基臺壓力的第一效應(yīng)是明顯的。從這個距離開始，載荷就會增加。設(shè)間距為0.50 m的單個SPN拱(長墻側(cè)和側(cè)壁之和)最大總荷載為96 kN（圖3-1）。這些值不超過在回采巷道中使用的支撐的允許的最大承重能力。側(cè)壁水平安裝的長筋螺栓載荷為45 kN的實測值也可以認(rèn)為是比較低的。

圖3 支護(hù)荷載和測量錨桿荷載

軸向力的最大值超過了制造商規(guī)定的180 kN的螺栓允許承載能力，達(dá)到220 kN（圖3-2）。錨的大部分登記荷載值構(gòu)成了拉力。研究表明，位于錨桿沿段的拉張儀測得的變形變化最大，在0.95～1.45 m之間。此外，當(dāng)長壁工作面位于距離約30 m處時，螺栓軸向力值顯著增加。

3.2 巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力變化

應(yīng)用CCBO探頭測量的初始應(yīng)力張量評估結(jié)果見下頁表1。進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測的1050 m深度的理論垂直應(yīng)力約為24 MPa。覆巖33a、33b煤層采空區(qū)的保護(hù)作用影響探頭CCBO2上解釋的最大應(yīng)力S1（Sigma1）值相對較低（17 MPa）。從CCBO2探頭上的數(shù)據(jù)計算出的最大應(yīng)力S1（16 MPa）也可以用類似的方法解釋。在探測器CCBO1的情況下，最大水平S的大小是垂直分量（垂直應(yīng)力為8.1 MPa）的兩倍。在CCBO2探頭的情況下，它是豎直應(yīng)力分量大?。?.6 MPa）的1.7倍。

表1 主應(yīng)力分量的值及其空間方向

應(yīng)力變化最大分量（Sigma1）與CCBM2探頭測得的長壁工作面距離的關(guān)系如圖4所示。該探頭安裝在長壁371202采區(qū)以東的頂板巖石上。這是唯一一個可以監(jiān)測長壁工作面后應(yīng)力變化的探頭。在距離長壁工作面25 m處應(yīng)力變化開始增大（圖4），Sigma1的應(yīng)力分量在長壁工作面后顯著增大，在長壁工作面后40 m處達(dá)到最大值（31 MPa）。

圖4 CCBM2和CCBM3探針上Sigma 1最大應(yīng)力變化的比較

3.3 測量結(jié)果比較

圖5為長壁臨近測點時371222采空區(qū)測得的垂向收斂、頂板位移、SPN支護(hù)荷載和應(yīng)力變化。測量值的單位被調(diào)整，以顯示在公共圖的結(jié)果。

圖5 比較了垂直收斂、地層位移、支護(hù)荷載和接近長壁引起的應(yīng)力變化

在長壁工作面到達(dá)約30 m距離時，測量參數(shù)的動態(tài)增長最為明顯（在后續(xù)的動態(tài)變化對比中，以該長壁位置的測量值作為參考點）。百分比增加參數(shù)的前方距離30 m到10 m長壁是如下：96%（垂直收斂—從7.3 cm增加到14.3 cm），400%（屋頂位移—從4 mm增加到20 mm），182%（SPN-support負(fù)載—增加從3.4 kN/109.6 kN/10）和105%（最大應(yīng)力分量-σ1-6.0 MPa提高到12.3 MPa）。

4 結(jié)論

各參數(shù)之間存在一定的依賴性。應(yīng)力值在長壁工作面開始前約50 m處開始提前增加。結(jié)果表明，應(yīng)力的加速增加可能是變形和載荷的前兆。確定這類條件可以有效地實施緩解措施，如增加錨桿或安裝鋼支柱。