高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的钻孔窥视分析及对策.pdf

Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 采选工程 高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的 钻孔窥视分析及对策 咎军才】，陈跟马】，林建成】，髙永刚1,贾增林】，卢 科2 （1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西咸阳713500； 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013） 摘 要针对高地压作用下小庄煤矿40204运输巷在工作面超前区域的动力显现问题，采用钻孔电视成 像仪对该区域内8个巷道断面进行了钻孔窥视探测，研究裂隙在顶板、煤柱帮和实体煤帮内的发育程度及 分布规律，进而分析该区域巷道围岩的稳定性。根据研究结果，采取加强支护及煤体卸压措施，降低围岩 局部应力集中，保持支护结构完整。研究表明，工作面超前60 m范围内围岩裂隙较为发育，支护损伤较 大，稳定性较低。在工作面超前区域内，区段煤柱帮的裂隙比实体煤帮更为发育，稳定性相对较低；工作面 超前区域顶板离层较为严重，需要加强顶板支护强度，以保障巷道顶板的稳定性。依据钻孔窥视结果，采 用锚索配合槽钢补强支护及煤体爆破卸压措施；经过钻屑法检验，上述措施有效降低了巷道冲击危险性。 关键词冲击地压；钻孔窥视；围岩稳定性；裂隙带 中图分类号TD324； TD353 文献标识码A 文章编号1004-4051（2020）08-0091-07 Analysis and countermeasures of the peepholes for surrounding rock stability inhighearthpre66ureroadway ZAN Junca i1 , CHEN Genma1 , LIN Jia ncheng1 , GAO Yo ngga ng1 , JIA Zenglin1 , LU Ke2 1. Bincha ng Xia o zhua ng Mining Co . , Ltd. , Xia nya ng 713500, China； 2 Co a lDininga ndDesigningDepa rtment Tia ndiSciencea ndTechno lo gyCo . Ltd. Beijing100013China Abstract Aiming a t pro blem tha t freq uent dyna mic pheno mena o f 40204 tra nspo rt ro a dwa y in Xia o zhua ng co a lmineina dva ncea rea underhighea rthpres sureinteligentbo reho letelevisio nima gerwa susedto detect bo reho les eight tunnel sectio ns in this a reaa nd the develo pment degree a nd distributio n la w o f cra cks in ro o f, pilla r a nd so lid co a l wa lls were studied, a nd then a na lyzed sta bility o f surro unding ro ck in this a rea . Acco rdingQo Qheresea rchres ulQssQrengQheningsuppo rQa ndco a lpressurerelief mea sures wereQa kenQo reduceQhelo ca lsQressco ncenQra io no fsurro undingro cka ndma inQa inQheinQegriyo fsuppo rQsQrucQure.The res ea rchsho wedQha Qunderinfluenceo f mining disQurba ncea nd superpo siio n o fQhea dva ncea buQmenQ pressurero o fsepa ra io nla yernea rQhewo rkingfa cewa smo reserio usa ndcra cko fco a lpila ra nds idewa s mo re develo ped a ndQhe sQa bili y wa s lo wer inQhe ra nge o f 60 m in fro nQo fQhe wo rking fa ce. Acco rdingQo Qheres ulQo fbo reho lepeepingreinfo rcemenQa ndsuppo rQwiQha ncho rca blea ndcha nnelsQeela ndpressure reliefmea suresfo rco a lbla sing.Thro ughQheQesQo fdrilingcu ingsmeQho dQhea bo vemea suresefecively 收稿日期收稿日期2019-06-05 责任编辑责任编辑刘硕硕 基金项目基金项目国家重点研发计划项目资助（编号国家重点研发计划项目资助（编号2017YFC0804204）；国家重点研发计划项目资助（编号国家重点研发计划项目资助（编号2016YFC0801401）；国家自然科学基国家自然科学基金 项目资助（编号 项目资助（编号 51574149）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目资助（编号天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目资助（编号2018-TD-MS022） 第一作者简介第一作者简介咎军才咎军才（1978 ）,男，陕西扶风人，硕士，高级男，陕西扶风人，硕士，高级工程师，主要从事采矿程师，主要从事采矿工程程及煤矿灾害煤矿灾害防治技术研究技术研究 通讯作者简介通讯作者简介高永高永刚（1982 ）,男，陕西宝鸡人，硕士，工男，陕西宝鸡人，硕士，工程师，主要从事煤矿灾害，主要从事煤矿灾害防治方治方面的技术应用与研究的技术应用与研究工作作。 引用格式咎军才，陈跟马，林建成，等.高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的钻孔窥视分析及对策引用格式咎军才，陈跟马，林建成，等.高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的钻孔窥视分析及对策J* *.中国矿业，中国矿业，2020,29（8））91-97,121. do i10. 12075/j. issn. 1004-4051. 2020. 08. 004 92 中国矿业第29卷 reduce the impa ct risk o f the ro a dwa y . Keywords ro ck burst； bo reho le peeping, sta bility o f surro unding ro ck； fra ctured zo ne 近年来，随着开采强度的不断加大，开采深度的 逐年 ，冲击地压 制约我国煤矿 生 产的主要灾 一。 理论口*口* 地 压 是 地压发生过程的最后环节。而稳定围 岩具有较强的 能力，可以有效抑制 地压 的 程度。煤岩体中存在很多不连续的结构面， 控制着岩 、破坏及其力学性质，而且岩体结构 面对岩体力学性质的控制作用远远 岩石材 身物理力学性质的控制作用⑵。因此在岩体工程 中，为了研究岩体的 力学性质，必 周围岩 的结构如层理、节理 等 详细了解*6*。 小庄煤矿40204运输巷的工作面超前 高地压 ，巷 。 通过调控围岩 发育， 岩局部应力集中，保持支护结 性， 有效降 险，了解围岩 发育程度及分布 律 研究基础丁10* *。基于此 用矿用 钻孔 统对小庄煤矿40204工作面超前 运 巷围岩的 布 实测，从 化支护 设计并制定有效的卸压方案。 1 小庄煤矿40204综放工作面东西走向布置，南 接40203工作面 ，北面为实体煤。工作面走 向长1 801 m,宽195 m,煤层埋深520〜690 m。该 工作面主采的4,煤层厚度2123.5m。老顶为粗 砂岩、含砾粗砂岩，厚度7〜8 m,厚层状，属半坚硬 较稳定型。直接顶主要为黑色砂质泥岩，厚约8 m。 主要 岩，致密块状，厚度3〜4 m。 用应力解 小庄煤矿地应力进行测试。 所测水平的最大水平主应力值的分布范围为21. 23〜 30. 17 MPa ,与自重应力比值范围在1. 69〜1. 83之 间，平均为1.76倍，地应力较高。 冲击地压测定、监测与防治方法GB/T 25217. 2-2010,小庄煤矿所采4 ,煤层及其底板 具有弱冲击倾向，顶板岩层具有 倾向，煤岩测 试参 1 2。 Table 2 Roof and floor strata test results 表表2顶底板岩层测试结果顶底板岩层测试结果 类型 弹性模/ GPa / kg/m3 / MPa 能 /kJ 顶板岩层 9 41 2 488 4 09226 54 底板岩层 0 97 2 4261. 73 67 07 运输巷底煤留设6〜9 m,煤单轴抗压强度为 17. 3 MPa ,巷道断面净尺寸为5 500 mmX3 500 mm。 顶板及两帮采用①22 mm X 2 200 mm的高强螺纹 树脂锚杆配合锚网支护，间排距800 mmX800 mm。 顶板采用锚网 合支护 ①18. 96 mmX 7100 mm 1600 mmX1600 mm。 巷 超前工作面100 m范围加强支护，仍 力 煤 ，顶板下沉, 均超过1m, 严重，累 起量超过2 m。 2方案设计方案设计 21 钻孔 理 所用仪器可通过深入煤岩层中的钻孔来探测、 测量并记录煤岩层结构、节理及 。对多次实测 所得图像 ，可描述出巷 岩离层、 、 破碎变化情况。JLIDOIA智能钻孔 像仪 实 图1。钻孔电视成像仪由CCD微型探头、发 光体、图像转换器、放大器、信号转换器、稳压电源、 像设备等 。CCD探头接收的信号 通过 送到 像设备，并存于主机中。窥 视前，首 探 的CCD探头、电源我 像器 通过 连接在一起；CCD探头由支撑 逐节 连接后伸入钻孔内，在仪器探头缓慢进入的过程中, 探 器 换探 晰图像，并记录 柱状图及探测深度；然后通过连接设 记录的柱 图导入 ，最后利用图形编辑软 理分析。 表表1煤层测试结果煤层测试结果 Table 1 Coal seam test results 煤层 动态破坏 时间/ ms 弹性能 指数 能 指数 单轴压 强度/MPa 4 ,煤层上 208 87. 32 1 5313 23 4,煤层中172. 814. 95 1 5618 11 4 ,煤层下201. 6 6. 52 1 7220 62 图图1 JL-IDOIA 智能钻孔电视成像仪智能钻孔电视成像仪 Fig. 1 JL-IDOIA intelligent borehole television imager 第8期咎军才，等高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的钻孔窥视分析及对策 93 2. 2钻孔窥视参数 在 巷超前工作面前方10 m处取首断面， ， 断面间隔15 m,依次取8个断面。在每个断面的煤 柱帮、实体煤帮及顶板各布置1 孑L,深度12 m, , 孔 10〜15,顶板孔 顶板，窥视孔直径 30〜35 mm,窥视钻孔的位置如图2和图3所示，开 孔 工方便调整。 。 3动力显现 数据分析动力显现 数据分析 31 超 前 煤 柱 钻 孔 析 在40204工作面超前 巷的煤柱帮设计 窥视8孑L,实 8孔。钻孔 结果统［表 3超前 煤柱 发 如图4所示，，超前工 作面10 m位置煤柱帮窥视孔柱状如图5所示，受篇 幅限制其他 孔柱状图不再赘述。 。 图图2超前区域窥视钻孔布置断面图超前区域窥视钻孔布置断面图 Fig. 2 Cross-sectional layout of peephole in advance area 1号 .15 m 丁 2号 |3号 |4号 I o 6号7号 号 40204运输巷 Am 1号 2号L号L号In 6号 7号L号豈 40203回风巷 ， O O O 203工作面采空区O O O Oom 二 m m。 图 3 域 域 图 Fig. 3 Plane layout of peep boreholes in advance area 图图4超前区域煤柱帮裂隙发育区示意图超前区域煤柱帮裂隙发育区示意图 Fig. 4 Schematic diagram of fracture development area of coal pillar side in advance area 94 中国矿业第29卷 表3超前区域煤柱帮窥视结果统计表 Table3Statisticaltableofpeepingresultsofcoalpilarinadvancearea 窥视孔窥视孔距工作面距工作面钻孔深度钻孔深度/裂隙区起始裂隙区起始裂隙区终止裂隙区终止裂隙区裂隙区横向宽裂隙横向宽裂隙 裂隙描述裂隙描述 编号编号 距离距离/mm/m/m/m / 004040 3裂隙严重发育，煤体破碎裂隙严重发育，煤体破碎 1 1011 0406828 2裂隙较发育裂隙较发育 68 11. 0 42 0裂隙严重发育，煤体较破碎裂隙严重发育，煤体较破碎 003636 4 严重发 重发 ，煤煤 2 3510 7367135 2较发较发 7110 736 0 严重发 重发 ，煤 较煤 较 003333 1 严重发 重发 ，煤煤 3 6011 4339461 0裂隙轻微发育裂隙轻微发育 94 11. 4 20 0 严重发 重发 ，煤煤 003535 4 严重发 重发 ，煤煤 4 7510 8357439 2煤体整体性较好煤体整体性较好 7410 834 0 严重发 重发 ，煤煤 5 9011 600 11. 611. 61煤 性较煤 性较 004040 0 严重发 重发 ，煤煤 6 10511 6408646 0煤 性较煤 性较 8610 216 0较发较发 10 2 11. 6 14 0煤 性较煤 性较 7 12011 5 002525 1 严重发 重发 ，煤煤 25 11. 5 90 0煤 性较煤 性较 8 13511 0 002020 1较发较发 20 11. 0 90 0煤 性较煤 性较 1 由图4中整体裂隙发育区趋势线可知，受回 采扰动、工作面超前支承压力及起 工的多 重 ，在工作面超前 煤柱内，裂隙发育区 。总 ，裂隙发 深度随着临近 工作面而逐渐扩大。距离工作面10〜35 m附近, 发育深度在12 m左右；距工作面60 m附近, 发育深度在6. 3 m左右，在此 ，裂隙发 深度随着远离工作面而迅速减小。距工作面60 m ，裂隙发育深度减小速率降低，直至135 m附 近，裂隙发育深度稳定在2 m左右。 2 由图4中破碎区趋势线可知，在工作面超前 压力支承 ， 发 较为平稳，随 着远离工作面，破碎深度减小速率较小。在工作面 附近，破碎深度在4 m左右，直至距工作面135 m 附近，破碎深度稳定在2 m左右。距工作面95 m 附近起底扩帮施工刚结束，5号窥视孔附近未迅速 形成明显破碎区。 3 由 图4 中 知， 在起 围内，随着临近工作面， 深度逐渐降低，裂 发育程 断加重；而在临近 更深部，再 次出现破碎区，且破碎范围有增加趋势。 4 钻孔 结 析，表3显示，随着临 近工作面， 煤柱中 次 V； 更多 在煤柱浅部，而在煤柱深部二次 出现的破碎区范围内未被发现。 0.5 0.6 0.8 0.9 1.0 8.5 8.7 8.8 8.9 9.0 4.6 4.8 4.9 5.0 a 破碎段 b裂隙段 单位m 图5超前工作面10 m位置煤柱帮窥视孔柱状图 FigU5 Column diagram of peep hole of coal pi lar at 10 m ahead of working face 3.2超前区域顶板钻孔窥视数据分析 在40204工作面超前 巷的顶板设计窥 视8孑L,实 8孔。钻孔 结果统 4, 超前工作面10 m 顶板 孔柱 图7,受篇 幅限制其他窥视孔柱状图不再赘述。 8可 第8期咎军才，等高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的钻孔窥视分析及对策 95 表4超前区域顶板窥视结果统计表 Table4 Statisticaltableo2roo2peepresultsinadvancedarea 窥视孔距工作面钻孔深度/离层分布区起始离层区终止层布层/纵向裂隙长度 编号距离/mm/m/m/m个；/ 1 1012 025257 47 布多 一的层 2 3512 020204 41 0〜0. 50 m范围顶板较破碎 3 6012 019194 55 0〜0. 30 m范围顶板较破碎 4 7512 017174 68 0〜0 20 m 顶板较 5 9012 014144 57 0〜0 25 m 顶板较 6 10512 013132 63 0〜0 15 m 顶板较 7 12012 010101 80 顶板 8 13512 0 0202 0 70 0〜0 10 m 顶板较 .........离层分布区趋势线 OC破碎区趋势线 -----完整段 作 面---- 1号2号 O------O------O------- 3号4号 I ■O------0 J 二 17号8号 40204运2騎顺槽 r 」0 rr25 m15 m15 m15 m15 m15 m 图6超前区域顶板离层发育区示意图 Fig. 6 Schematic map of roof separation development area in advance area 1） 由图6中离层分布区趋势线可知，受回采扰 动和工作面超前支承压力升高等因素 ，随着临 近工作面,顶板离层分布 断 。工作面附 近顶板离层分布区影响深度最大，达2. 5 m左右； 工作面135 m附近，顶板离层分布 深 度最小，仅有0. 2 m左右，顶板较 。但整体 看，超前 层分布深 遍在1m 。 2） 由图6中顶板破碎区趋势线可知，注意到顶 板浅层有一 ，随着临近工作面， 深度范 断扩大，在工作面附近 0. 5 m ，顶 板 性较低。而在 工作面135 m附近，该破 碎区深度仅为0.1 m左右。 3） 由表4可知，超前工作面100 m范围内，采 顶板 性 较为突出，尤其是临近工 作面附近，离层 多， 迅’大。 4） 研究发现，紧临顶板离层分布区深度以里， 存在多 一的 ，且分布深 较 广，而随着临近工作面， 有减小趋 在 布 ，几 存在 3.3超前 实体煤帮钻孔 析 在40204工作面超前 巷的实体煤帮设 8孔, 限制，实 3孔。钻孔 结果统 5O 1）由图8中 发育区趋势线可知，受回 单位m 图7 超前工作面10 m位置顶板窥视孔柱状 （离层段0〜2.5 m） Fig. 7 Columnar roof peephole at 10 m position in advance working face 采扰动、工作面超前支承压力及起底扩帮施工的多 重 ，在工作面超前区域实体煤 ，裂隙发育分 布 。总 ，裂隙发 深度随着 临近工作面 。工作面附近，实体煤 发育深度在8. 5 m左右；距工作面75 m附近，裂隙 发育深度在3. 1 m左右，在此范围内，裂隙发育深 化速率较高；距工作面135 m附近 ，裂隙 发 深 稳定在17 m 左右 2） 由 图8 中 知， 在工作面超前 区域内, 发 较为平稳，随着远离工作 96中国矿业第29卷 面，破碎深度减小速率较小。在工作面附近，破碎深 度在5 m左右，直至距工作面135 m附近，破碎深 度稳定在1. 4 m左右。 3）由图8中裂隙区趋势线可知，该区域范围在 深度上较 有所 ，但分布规律 一致。在 工作面附近,裂隙分布区深 8.5 m左右；随着远 离工作面, 布深度迅速降低，在35 m附近，分 布区深度为3. 5 m；在75 m附近，裂隙分布区深度在 3.1 m左右;而在135 m附近,该区域已经不明显。 4）与 煤柱 ，实体煤 发育深度范 围较小；尤其是在工作面附近，回 煤柱 更 烈, 发育深度远超实体煤帮。因此，在回 过程中，要更加重 煤柱的 ，应力升 高、变形严重及时采取相应措施。 表5超前区域实体煤帮钻孔窥视结果统计表 Table5 Statisticaltableoftheresultsofboreholepeepsofsolidcoalseamsinadvancearea 孔工作面钻孔深/起始止裂隙区横向宽裂隙 裂隙描述 编号； ；/mm /m/m/m / 002323 6裂隙严重发育，煤体破碎，分布多个横向裂隙 1 3511 5 233613 2裂隙较发育 368246 7裂隙轻微发育，局部分布横向裂隙，整体性一般 82 11. 5 33 1完整性较好 2 7511 0 003131 2较发 31 11. 0 79 0性较 001414 1 严重发 ，煤 较 3 13511 6142006 0微发 20 11. 6 86 0性较 -----完整段 破碎区趋势线 f裂济区右势或 整体裂隙企育区趋势线 40204运输顺槽 35 m J 135 m 采煤工作面 G c c c C - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - o o 95 m 起底扩帮段 40203回风顺槽 图8超前区域实体煤帮裂隙发育区示意图 Fig. 8 Schematic diagram of fracture development area of solid coal side in advance area 4围岩稳定性分析围岩稳定性分析 1）小庄煤矿40204工作面运输巷受大埋深和 高地应力影响严重，同时紧邻40203工作面采空区， 在 煤柱 力集中。在工作面超前区域, 采空区通过顶板 的 支承压力，使得该区 力进一步升高。巷 岩在 生 基础上 展，分布 。在采空区顶板垮落及巷道起 工程的 ，围岩 一步扩 ，严重 的围岩稳定性。 2） 煤柱帮整体裂隙发育区最大超过12 m,首 深度最 到4 m,巷 超过1m,锚 支护 失效，扌 能力差。当附近 能 扰动，巷帮极易发生 ， 在煤柱深部再次 ，推断起 工程 及 煤柱 更为严重，应力在煤柱中重新 布，从 新的 ，严重 煤柱稳定性。 3） 顶板离层发育区最大影响深度达到2. 5 m, 支护 失效，顶板被多 层分割，在回采扰 第8期咎军才，等高地压巷道动力显现区域围岩稳定性的钻孔窥视分析及对策 97 动影响下，抗冲击能力较低，动力显现明显，容易形 成冲击。 4实体煤帮整体裂隙发育区最大为8. 5 m左 右, 深度最 5 m左右。与煤柱帮相比, 深度与 总 减小，没二 次 ，但浅层 较深。说明起 帮 工程及回采扰 实体煤 相对较小，不造成 深层煤 ，但仍 ；同时， 实体煤帮的应力也较为集中。 失效，巷帮 ，冲击抵抗能力差。 5 1 支护措施。以钻孔窥视结果为依据，针 对工作面超前 高地压 严重，动力现象频 ，围岩 圈 较大，稳定性较低，扌 能力 较低的 ，及时采取 补强支护。在巷帮及顶 板原支护体未受到严重破坏前，补 ，扩大支 护 ，保证支护 ， 岩应力分布状态， 抑制裂隙发育速度，增加其抗冲击能力。在运输巷 两帮采用18. 96 mmX 7 100 mm锚索配合槽钢补强 支护， 巷帮稳定性。在顶板补打12.7 mmX 4 500 mm锚索抑制顶板下沉,单体支柱配合钱接顶 梁加强支护，顶板得到有效控制。 2 卸压 。在 取爆破卸压措施。炮 孔间距4 m,孔深13 m,装药5 kg,封孔8 mo通过 压，高应力向煤体深 ，有效保护了支护 的 性，提高 岩 能力。 3 效 o 在 用钻 压效 压前后各 3个钻孔取平均值进 结果如图9所示通过 压 ，煤粉 降低，在钻孔浅部2〜6 m ，煤粉量平均 值由2. 21 kg/m降至1. 63 kg/m；在深部7〜12 m 范围，由2. 71 kg/m降至1. 95 kg/m由此可见，高 地压 力集中得到缓解， 险性有所降 低，目前40204工作面 回 图图9钻屑法监测结果钻屑法监测结果 Fig. 9 Monitoring results of drilling cutting 6结论 1 通过钻孔窥视，得到了工作面超前区域围岩内 的裂隙发育程度及分布规律;发现工作面超前60 m范 岩 较为发育，支护 较大，稳定性较低 2 在工作面超前 发 在 煤柱 中比在实体煤帮内更严重；工作面超前区域顶板离 层较为严重，需要 顶板支护 ，以保障巷道顶 板的稳定性 3 依据钻孔窥视结果，制定了加强支护措施及 卸压解 ；经过钻 ，上述 有效降低 了巷道的冲击危险性 参考文献 1潘俊锋，宁宇，毛德兵，等.煤矿开采冲击地压启动理论J*.岩 石力学与工程学报,2012,313586-596. 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