特厚煤层综放工作面回采巷道围岩稳定性测试与分析

特厚煤层综放工作面回采巷道围岩稳定性测试与分析

1工作面分布及围岩结构在回采道路开挖后，原始炉的平衡状态受到破坏，道路围岩的应力再次分布。道路周围的一定范围内有应力集中。当电压高于煤体的极限电压时，道路周围的一定范围内的煤体变形和破坏。范围的电压降低，电压释放。围岩破裂、裂缝和变形形成一个松动的圈。除了围岩强度、原岩强度、道路段的大小、道路段的形状、开挖方法和其他因素的影响外，松环的大小与道路保护的类型和防护参数之间也有很大关系。因此，道路围岩的松动环大小是决定支撑强度的重要依据，尤其是确定锚杆长度的主要依据。此外，它还是评估道路围岩稳定性的重要基础。潞安矿业集团石圪节煤矿上组3号煤2123工作面北面为1303工作面采空区,南面为1302工作面采空区,西面为井田边界,隔离煤柱为30m,东面为2119工作面,形成了典型的孤岛煤柱工作面,应力十分集中。工作面开切眼距上出口27m揭露有断层,落差4.2m,沿着推进方向沿展有1000多m,断层逐渐向下出口延伸,断层落差1.1～4.5m不等。工作面走向长为93m,倾斜长为1000m,工作面采用倾向短壁后退式开采方法。3号煤层赋存稳定,煤层厚度6.5～7.1m,平均厚度6.6m;煤层倾角4～7°,平均为5°;煤层普氏系数1.5～2.0,为中硬煤层;煤层埋深260m。煤层基本顶为灰色的砂岩,中粒致密,厚度6.53m;直接顶为砂质页岩,中部夹有砂岩,厚8.02m;伪顶为泥质页岩,易冒落,厚0.02～0.10m;直接底为砂岩,坚硬,局部夹砂页岩,厚1.76m;基本底为灰黑色页岩,致密,厚3.00m。根据2123工作面现场的调查及力学理论所计算的围岩破坏范围充分考虑各种构造弱面和软弱薄夹层对围岩的影响,受巷道周边岩层、岩性结构组合和煤层性质等多种因素影响,巷道围岩松动范围有较大变化,因此为了进行合理的支护方案设计,对2123工作面运输巷和回风巷开展了围岩松动圈的实测。2煤体弹性体的特性在该矿2123工作面运输巷和回风巷煤体松动圈测试采用BA-Ⅱ型松动圈测试仪,通过对被测煤体声波参数的测试,可以对煤体内部结构进行分析,判断煤体内部破坏情况。巷道松动圈测试采用一发一收的单孔测试传感器,发射与接收装置之间的距离为200mm。松动圈测试实质上是应用超声波在不同介质中传播速度不同,来预测围岩的破坏情况。测试物体是以弹性体为前提条件的,当煤体的尺寸及作用外力较小时,相应变形也较小,可以把煤体视为弹性体。超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器,发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号,该振动信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播,从而携带煤体内部信息到达接收换能器,接收换能器把接收到的振动信号再转变成电信号传给声波仪,经声波仪放大处理后,显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数。根据弹性理论,由弹性波的波动方程通过弹性力学空间问题的静力方程推导,可得出超声波波速与介质的弹性参数之间的关系。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分别为煤体的纵波和横波速度;E,μ,ρ分别为煤体的弹性模量、泊松比和密度。从上式中可以看出,超声波在煤体中的传播速度与煤体的弹性模量、泊松比以及密度有关,而煤体的弹性模量、泊松比和密度与煤块自身抗压强度、密实程度直接相关,因此煤体的波速就可以间接反映煤块抗压强度以及内部破坏情况,通过回采巷道两帮不同深度处声时和波速的变化规律,可以确定巷道周围围岩的松动圈大小。3松动圈测试3.1动圈测点布置由于影响松动圈的因素较多,为提高测试的可靠性,根据以下方法进行松动圈测试:本次松动圈测试共布置4个测站,每一个测站布置2个点,由于巷道的一帮是2m的煤柱,因此测孔都布置在实体煤中,共计8个测孔。由于煤帮相对岩巷比较软,测量钻孔采用煤电钻打孔。钻孔方位基本与巷道垂直,钻头直径42mm,孔深在4～5m。测点布置如图1所示。3.2煤岩粉耦合测量测试方法,原理如下2123工作面运输巷围岩松动圈测试采用单孔测试法,测孔钻成后及时进行测试,没有出现测孔变形或坍塌现象,测试前用压力水冲洗每个测孔,把测孔中的煤岩粉冲洗干净,耦合方式采用水耦合。声波无损检测分析仪连接探头通电预热后,用推杆将探头送入孔底,同时采用胶皮管向钻孔中注水,为保证仪器发射与接收装置充分与煤体耦合,采用胶皮管水头与探头同步移动的方式。用推杆将探头向外每移动10cm读1次声,直到孔口为止。3.3煤体内滑动圈测试2123工作面运巷松动圈测试波速如图2所示。通过对石圪节煤矿2123工作面运输巷和回风巷4个测站,共计8个测孔测试情况可以看出,该回采巷道围岩的松动圈范围0.9～1.5m,随着测站距工作面越近,煤壁的松动圈越大,主要原因是煤体受到采动支承压力的影响,压力越大,破坏深度越大。其中运输巷测孔1的松动范围达到1.5m,可能是裂隙比较发育或水没有流到孔底由裂隙渗漏没有起到耦合作用所致。图2中都出现异常点主要是由于煤体内在该处存在裂隙或软弱夹层。文献经过大量的现场松动圈测试及松动圈与巷道支护难易程度相关关系的调研,结合锚喷支护机理,依据围岩松动圈的大小将围岩分为:小松动圈稳定围岩(0～0.4m),中松动圈一般稳定围岩(0.4～1.5m)和大松动圈不稳定围岩(>1.5m)3个大类。根据松动圈测试数据所得到的测试曲线,可知石圪节煤矿2123工作面运输巷和回风巷属于一般稳定围岩,个别地方巷道围岩属于不稳定围岩。因此,在采动支承压力范围以外,需对巷道两帮煤体进行加固,使煤体在支承压力的影响下不至于变形剧烈,能够保证回采的顺利进行。4现场滑动圈测试1)根据2123工作面的特点,充分考虑影响松动圈的因素,在运用单孔测试法测试松动圈的实践中,根据实际情况做了合理的测点布置和测试,测试结果的准确性能够满足分析研究的需要。2)现场松动圈测试确定石圪节煤矿2123工作面运输巷和回风巷的松动圈范围在0.9～1.5m,随着测站距工作面越近,煤壁