小莊煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈裂隙結(jié)構(gòu)特征分析

付航航，李 可，徐傳玉，張 文，王 旭，孔祥國(guó)

(1.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500；2.陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤是我國(guó)占比最大的消費(fèi)性能源，其龐大的需求量致使煤礦企業(yè)不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，礦井開(kāi)采向深部延伸，煤炭深部開(kāi)采成為了一種趨勢(shì)。在這種趨勢(shì)下，深部礦井巷道礦壓沖擊、圍巖變形和破壞等情況嚴(yán)重，煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)，極大影響了礦井的安全生產(chǎn)[1-4]。

瓦斯抽采是礦井防治煤與瓦斯突出的一種重要措施[5]，而使瓦斯抽采鉆孔封孔深度超過(guò)巷道松動(dòng)圈的范圍是提高瓦斯抽采效果的關(guān)鍵。因此，開(kāi)展對(duì)巷道松動(dòng)圈的研究可以為瓦斯抽采鉆孔封孔深度提供科學(xué)依據(jù)，有利于瓦斯抽采效率的提高。

眾多學(xué)者對(duì)巷道松動(dòng)圈進(jìn)行了大量研究。董方庭等[6]采用物理相似模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法，對(duì)松動(dòng)圈進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，形成了巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，該理論得到了廣泛推廣應(yīng)用，解決了大量巷道支護(hù)問(wèn)題；靖洪文等[7]首次將全景數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)應(yīng)用于巷道松動(dòng)圈的研究，并提出了由圓形度指標(biāo)判斷巷道松動(dòng)圈厚度的方法；武光輝等[8]采用鉆孔窺視儀探測(cè)了巷道松動(dòng)圈范圍，并分析了圍巖的破壞模式及規(guī)律。而在抽采鉆孔封孔方面，崔宏磊等[9]采用單孔聲波發(fā)射進(jìn)行了研究，確定了合理的封孔長(zhǎng)度；李國(guó)榮[10]采用數(shù)值模擬與鉆屑指標(biāo)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法研究巷道裂隙帶發(fā)育范圍，確定鉆孔的封孔深度；郝瑞云[11]運(yùn)用數(shù)值模擬分析鉆孔圍巖塑性區(qū)和彈性區(qū)變形破壞區(qū)間，得出軟煤層最優(yōu)封孔參數(shù)范圍；姚學(xué)慶等[12]利用鉆孔成像儀進(jìn)行鉆孔內(nèi)抽采管路窺視，解決了九里山礦抽采效率低的問(wèn)題。

基于此，采用礦用鉆孔成像儀對(duì)小莊煤礦40205工作面泄水巷、40307運(yùn)順巷道和40309回順巷道開(kāi)展巷道圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，測(cè)定巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍，以期為小莊煤礦本煤層抽采鉆孔封孔深度范圍提供理論依據(jù)。

1 工程概況

小莊煤礦40205工作面屬于二盤區(qū)，40307工作面、40309工作面屬于三盤區(qū)，礦井設(shè)計(jì)主采煤層為4號(hào)煤層。二盤區(qū)工作面區(qū)域內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，厚度22～24 m；老頂為中-粗粒砂巖，厚度9～10 m；直接頂為細(xì)砂巖，厚度1～2 m；直接底為鋁質(zhì)泥巖，致密塊狀厚度3～4 m。

三盤區(qū)工作面中東部煤層較厚，西部較薄，傾角0°～4°，厚度20～26 m；老頂為粗砂巖，中等穩(wěn)定，厚度10～24 m；直接頂為粉砂巖，穩(wěn)定性差，厚度9～10 m；直接底為泥巖，厚度3～4 m。工作面巷道周邊巖層以砂巖為主，穩(wěn)定性較差，巷道掘進(jìn)后產(chǎn)生變形，煤層內(nèi)存在大量的構(gòu)造裂隙發(fā)育，尤其是在受擾動(dòng)影響較大的煤體內(nèi)，裂隙會(huì)更加發(fā)育。

2 松動(dòng)圈測(cè)定方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)定設(shè)備

結(jié)合小莊煤礦4號(hào)煤層實(shí)際賦存條件及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)條件，在40205工作面泄水巷、40307運(yùn)順巷道和40309回順巷道采用鉆孔窺視法。利用抽采鉆孔和卸壓鉆孔進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)定，鉆孔觀測(cè)儀器采用武漢長(zhǎng)盛煤安科技有限公司研制的CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀。

2.2 方案設(shè)計(jì)

在40205工作面泄水巷、40307運(yùn)順巷道和40309回順巷道利用抽采鉆孔和卸壓鉆孔進(jìn)行鉆孔窺視現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，窺視鉆孔布置如圖1所示，測(cè)試鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 窺視鉆孔布置示意Fig.1 Layout of peep boreholes

表1 鉆孔窺視法布孔參數(shù)Table 1 Borehole layout parameters of borehole peeping method

3 鉆孔窺視測(cè)量結(jié)果分析

3.1 40205工作面泄水巷鉆孔窺視

40205工作面泄水巷鉆孔窺視成像如圖2所示，鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖如圖3所示。由圖2(a)、(b)可以看出，在40205工作面泄水巷300 m處，初入鉆孔處，鉆孔周圍煤體破損嚴(yán)重，裂隙發(fā)育充分；2.20 m處，鉆孔頂部和底部仍然存在連片破裂位置；4.24 m處，窺視鏡頭沾染部分煤屑，鉆孔里有水，孔壁相對(duì)完整；6.25 m處，水流和煤屑混合形成煤泥，阻礙窺視儀深入，直至8.02 m處，鉆孔被徹底封堵無(wú)法深入。該預(yù)抽鉆孔窺視表明，水排渣預(yù)抽鉆孔施工，盡量選用適度仰角施工以便孔內(nèi)水排放，否則孔底水和煤屑混合及水體浸泡容易堵塞鉆孔，影響預(yù)抽效果；鉆孔成型之后，要利用壓風(fēng)將鉆孔內(nèi)煤屑清掃干凈，再進(jìn)行封孔。

圖2 40205工作面抽采鉆孔窺視Fig.2 Peeping of the extraction borehole in 40205 working face

圖3 40205工作面抽采鉆孔窺視分段展開(kāi)圖Fig.3 Sectional expanded view of extraction borehole peeping in 40205 working face

通過(guò)觀測(cè)鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖，發(fā)現(xiàn)在0～1.0 m區(qū)間，有3條明顯的裂隙；在鉆孔3.0～3.6 m區(qū)間，有2條小裂隙；隨著鉆孔進(jìn)一步深入，煤壁相對(duì)完整，但是由于鉆孔中水與煤粉形成煤泥附著在鉆孔壁上，煤泥的逐漸累積導(dǎo)致鉆孔孔徑相對(duì)空間縮小。由圖2(c)、(d)可以看出，在40205工作面泄水巷285 m處，鉆孔深度0.61 m位置，有明顯的大裂隙生成；鉆孔深入煤體1.05 m，鉆孔煤壁均有不同尺度的裂隙形成；當(dāng)深入到煤體2.19 m，裂隙數(shù)量逐漸減少；深入3.5 m，可以看到鉆孔壁相對(duì)完整，但是煤屑增加，不利于窺視儀深入；在鉆孔深度4.06 m，鉆孔變形嚴(yán)重，煤體阻擋鉆孔窺視儀鏡頭，無(wú)法深入。在退出的過(guò)程中，發(fā)生了一次煤炮，聲音較大，鉆孔孔口有煤體崩落。說(shuō)明測(cè)試幫部應(yīng)力較大，彈性能積聚而引發(fā)煤炮釋放能量，可能造成鉆孔塌孔。

進(jìn)一步通過(guò)鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)鉆孔0～1.5 m區(qū)域，有多條裂隙存在，由外向內(nèi)，裂隙尺度逐漸縮??；另外，在鉆孔2.85 m位置，可見(jiàn)一條明顯裂隙存在；鉆孔其他位置也散布著不同程度的破裂區(qū)，說(shuō)明應(yīng)力積聚過(guò)程中，鉆孔發(fā)生變形。

3.2 40307運(yùn)順巷道鉆孔窺視

40307工作面左幫抽采鉆孔窺視成像如圖4所示，鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖像如圖5所示。在40307運(yùn)順巷道里程390 m左幫處，由圖4(a)、(b)可以看出，在0.32 m處，煤體破裂嚴(yán)重，裂隙數(shù)量較多；在1.65 m處，仍然可見(jiàn)大片的破裂區(qū)；隨著深入鉆孔3.66 m處，明顯可見(jiàn)鉆孔頂?shù)撞坑衅屏褏^(qū)域；隨著鉆孔深度進(jìn)一步增加，鉆孔煤壁裂隙數(shù)量逐漸減少，完整度逐漸增加，一直延續(xù)到鉆孔測(cè)試底部。

圖4 40307工作面左幫抽采鉆孔窺視Fig.4 Peeking of extraction borehole at left side of 40307 working face

圖5 40307工作面左幫抽采鉆孔窺視分段展開(kāi)圖Fig.5 Sectional expanded view of the left side borehole peeping in 40307 working face

通過(guò)觀測(cè)鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖，發(fā)現(xiàn)鉆孔0～0.75 m區(qū)域，有較多煤屑附著在鉆孔煤壁上；在鉆孔1.5～2.0 m區(qū)域和4.0～4.5 m區(qū)域，有較大破裂區(qū)存在；隨著深入鉆孔，其煤壁逐漸完整和光滑。在40307運(yùn)順巷道里程380 m左幫處，從圖4(c)、(d)測(cè)試結(jié)果可以看出，鉆孔深度1.53 m位置，煤體破裂嚴(yán)重；當(dāng)鉆孔深入煤體3.04 m，發(fā)現(xiàn)鉆孔頂部左上角和底部右下角有局部破裂區(qū)；當(dāng)鉆孔繼續(xù)深入煤體，窺視鏡頭出現(xiàn)反光現(xiàn)象，說(shuō)明鉆孔里有水，但可以看出鉆孔孔壁相對(duì)完整，隨著進(jìn)一步向里窺視，孔壁完整性逐漸增加。進(jìn)一步觀測(cè)鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖，發(fā)現(xiàn)1.8～3.3 m區(qū)域，鉆孔孔壁存在不同尺度的破裂區(qū)域；隨著深入，孔壁逐漸完整并趨于光滑。

40307工作面右?guī)统椴摄@孔窺視成像如圖6所示，鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖像如圖7所示。

圖7 40307工作面右?guī)统椴摄@孔窺視分段展開(kāi)圖Fig.7 Sectional expanded view of the right side borehole peeping in 40307 working fac

在40307運(yùn)順巷道里程400 m右?guī)吞?，從圖6(a)、(b)可以看出，在1.12 m處，鉆孔周圍煤體破損嚴(yán)重，尤其是左上角和右下角，裂隙發(fā)育充分，且伴隨大塊煤體碎片；隨著進(jìn)一步深入鉆孔3.61 m處，發(fā)現(xiàn)鉆孔左下角裂隙相對(duì)較多，并伴隨少量煤體碎片；繼續(xù)深入鉆孔，鉆孔周圍仍然存在少量裂紋，且逐漸減少趨于平滑，后續(xù)鉆孔里有水，水中漂浮著相較前面更小的煤屑。

通過(guò)觀測(cè)鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖，發(fā)現(xiàn)在0～5.0 m區(qū)間，鉆孔孔壁非常粗糙，說(shuō)明裂隙發(fā)育充分，且隨鉆孔深度增加孔壁粗糙度逐漸降低，裂隙逐漸變少，之后窺視至結(jié)束未再發(fā)現(xiàn)明顯裂隙分布。在40307運(yùn)順巷道里程370 m右?guī)吞?，從圖6(c)、(d)可以看出，在1.06 m處，鉆孔周圍煤體破損嚴(yán)重，裂隙發(fā)育充分，且附著煤屑較多；繼續(xù)深入，在3.65 m處，孔壁完整性較好，但鉆孔周圍伴有煤體顆粒；之后鉆孔更深處，孔壁非常完整，且趨于光滑。進(jìn)一步通過(guò)鉆孔窺視立體分段展開(kāi)圖觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在0～1.2 m之間孔壁極為粗糙，在孔壁左側(cè)裂隙發(fā)育充分，右側(cè)次之，且1.2～2 m處也有裂隙發(fā)育，之后窺視孔壁逐漸平滑。

圖6 40307工作面右?guī)统椴摄@孔窺視Fig.6 Peeking of extraction borehole at right side of 40307 working face

3.3 40309回順巷道鉆孔窺視

40309回順巷道鉆孔窺視結(jié)果如圖8所示，可以看出，在1.11 m處，鉆孔周圍煤體破損嚴(yán)重，裂隙發(fā)育充分，且附著煤屑較多，底部伴隨少量積水；鉆孔逐漸深入到6.19 m過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鉆孔周圍存在不同程度的破裂區(qū)；之后鉆孔繼續(xù)深入，鉆孔周圍裂隙逐漸減少，鉆孔孔壁趨于光滑。在鉆孔窺視觀測(cè)過(guò)程中，該巷道左幫有清晰的煤炮聲，且次數(shù)較多，說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)力較大；且測(cè)試地點(diǎn)距離40309工作面約300 m左右，受采動(dòng)作業(yè)影響，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍較大。

圖8 40309回順巷道抽采鉆孔窺視Fig.8 Peeping of the extraction borehole in 40309 return roadway

3.4 松動(dòng)圈測(cè)量結(jié)果

基于在40205工作面泄水巷、40307運(yùn)順和40309回順部分巷道段的鉆孔窺視結(jié)果，確定松動(dòng)圈范圍見(jiàn)表2。

表2 松動(dòng)圈范圍Table 2 Range of loose zone

4 結(jié)論

(1)工作面巷道圍巖松動(dòng)圈內(nèi)裂隙發(fā)育程度及分布規(guī)律受采動(dòng)影響較大。未受采動(dòng)影響區(qū)域的巷道圍巖鉆孔深部裂隙發(fā)育較差，孔壁趨于平滑，僅存在少量裂紋；受采動(dòng)影響區(qū)域的巷道圍巖在同鉆孔深部位置裂隙發(fā)育較為充分，裂紋較多，且孔壁平滑區(qū)域更為深入。

(2)通過(guò)鉆孔窺視實(shí)測(cè)確定了巷道圍巖松動(dòng)圈范圍。未受采動(dòng)影響區(qū)域的巷道圍巖松動(dòng)圈范圍4.00～4.50 m；受采動(dòng)影響區(qū)域的巷道圍巖松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大到9 m左右。

(3)瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超出煤巷幫的松動(dòng)圈范圍，考慮到鉆孔封孔本身密封性問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合“預(yù)抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴(yán)密，穿層鉆孔的封孔段長(zhǎng)度不得小于5 m，順層鉆孔的封孔段長(zhǎng)度不得小于8 m”的規(guī)定，建議本煤層抽采鉆孔封孔深度設(shè)置在12～15 m之間。既可以保證瓦斯抽采效果，又可以降低成本，避免抽采盲區(qū)的出現(xiàn)。