三元中能煤业采准巷道危险区域划分与评价

郑金平

(长治三元中能煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

三元中能煤业采准巷道危险区域划分与评价

郑金平

(长治三元中能煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

三元中能煤业主采煤层工作面回采强度高，巷道断面大，各回采面巷道受回采动压影响严重，部分巷道存在锚杆断裂现象，严重影响安全生产。为解决在巷道动压显现强烈、遭遇地质构造使巷道围岩条件恶化后，顶板控制难度加大导致的巷道支护质量难以保证的问题，通过采用钻孔窥视、锚杆无损检测、现场巷道变形观测等技术对采准巷道进行测试，将巷道划分为节理裂隙发育、围岩高应力、强烈采动影响、地质构造带等4种危险区域。对4种危险区域进行了危险程度划分，为回采巷道矿压监测测点的布置及巷道支护技术提供了优化方案。

巷道危险区域；采动影响；钻孔窥视；锚杆无损检测

Study of Mining Roadway Hazardous Zone Classification and Evaluation of Sanyuan Zhongneng Coal Mine

现有巷道支护理论部分是在研究巷道掘进动压影响期内的变形破坏特征得到的[1]，在此支护理论的指导下，煤矿技术人员根据围岩强度、地应力及裂隙发育情况开展支护设计，较少考虑回采期间的动压对巷道支护的影响[2-3]。现场实践证明，巷道在采动影响期内的变形量往往更大，且变形破坏特征更加复杂[4-5]。国内支护专家对采动影响下的巷道变形破坏机理开展了部分研究工作，但受监测手段的制约，顶板和巷帮哪一区域围岩最先发生突变，实体煤侧和采空区侧巷道变形破坏特征有何本质区别[6]，采动影响下巷道变形破坏机理及支护参数优化方法研究成果不多。

三元中能煤业主采3号煤层工作面开采强度高，巷道断面大，地质构造较多，相邻工作面回采巷道预先掘好后，受本工作面回采动压影响强烈，采用架棚、补打锚杆锚索后，巷道的变形量仍然较大，个别区域出现断锚射锚问题，严重影响安全生产。为有效解决三元中能煤业巷道在回采过程中的强烈矿压显现问题，减少巷道维护量，及时消除顶板安全隐患，以2302工作面回风巷为研究对象，探索回采动压影响下，巷道围岩变形破坏特征，得出大采高综采工作面巷道危险区域分类评价。

1 工作面基本情况

1.1 煤层赋存条件

2302工作面开采煤层为下二迭统山西组下部的3号煤层，煤层赋存稳定，煤层倾角-8～10°，距煤层底板约0.6m夹一层平均0.28m泥岩或炭质泥岩夹矸。煤层厚度5.93～3.68m，平均厚度5.49m。煤层硬度f=0.9～1.0，煤层节理裂隙较发育。自燃倾向性等级为Ⅲ级，不易自燃。绝对瓦斯涌出量2.4m3/min，煤尘爆炸指数14.5%。煤层直接顶为砂质泥岩、泥岩、局部为粉砂岩，平均厚度2.97m；基本顶为中-细粒砂岩，平均厚度5.86m；直接底为泥岩、砂质泥岩，平均厚度0.7m；基本底为细粒砂岩，平均厚度3.36m。

1.2 地质构造条件

2302工作面煤层赋存稳定，不受冲击地压威胁，无煤与瓦斯突出危险性。2302回风巷将邻近控制程度可靠的Fd31正断层，最大落差10m，距离西翼胶带大巷490m，处于2302回风巷与2302运输巷之间，最近处距离运输巷6m，距回风巷32m；Fd36正断层，最大落差3m，距离西翼胶带大巷1904.4m，此断层已在2301回风巷揭露；X20陷落柱位于回风巷东侧，最近处距离32m，距西翼胶带巷608m，长度158m。

1.3 巷道支护现状

2302工作面回风巷采用矩形断面，掘进宽5.5m，掘进高4.0m，掘进断面22m2。断面支护方式：锚网索+钢带联合支护。锚杆采用φ20×2400mm螺纹钢锚杆，顶锚索采用φ18.9mm×9000mm钢绞线，帮锚索采用φ18.9mm×5300mm钢绞线，配合50mm×50mm金属网片和φ16mm-5000mm钢带进行支护。支护现状如图1所示。

图1 工作面巷道现场支护情况

巷道过地质构造带时采用U型钢金属支架支护，U型钢型号选用U25，相邻两架U型钢棚共用9根拉杆连接。现场支护效果如图2所示。

图2 U型钢现场支护效果

受2301工作面采空区压力以及2301工作面回采动压影响，2302回风巷压力显现明显，顶板及右帮围岩完整性较差。巷道破碎区较多，部分破碎区采用补打锚索及补网措施，起到了一定效果。

2 巷道围岩塑性破坏区域特征

2.1 围岩松动圈探测原理

为了研究巷道围岩松动圈的大小进而进行围岩稳定性评价及支护效果分析，现利用CXK6-Z矿用本安型钻孔成像仪探测三元中能煤业2302工作面回风巷。钻孔成像仪主要由主机、探头及连接线、深度计数器组成，如图3所示。

图3 CXK6-Z矿用本安型钻孔成像仪

其探测原理为根据围岩裂缝探测柱状图，引入圆形度概念对被测物体边缘复杂程度的真实性进行判断[13]。圆形度计算公式为：

式中，C为圆形度；P为围岩裂缝的周长；A为围岩裂缝的面积。

圆形度C值越大，此裂缝可能是真裂缝；圆形度C值越小越接近1，则此裂缝是伪裂缝。真裂缝多的区域，即图像分析中C值大的区域，可判断认为是围岩的破裂区(松动圈);裂缝明显较少或伪裂缝多的区域(C值多接近1)可判断认为是围岩的微破裂区[14]。

2.2 巷道松动圈测试方案及工艺

在回风巷布置10组探测孔，每组测孔间距200m，每组包括2个帮孔和1个顶孔。顶孔孔深为6～8m，帮孔孔深为4～6m，根据探测结果，孔深完全满足条件。

巷道围岩松动圈测试工艺流程：

(1)钻进测试孔，可用普通煤帮锚杆钻机(煤电钻)施工φ28mm钻孔。帮孔打在腰线位置，顶孔打在顶板中线位置。

(2)钻孔煤粉清理，将钻孔内煤粉、钻渣清理干净，孔钻进至指定位置后，将钻机水阀开至最大冲洗钻孔2min。

(3)具体测试过程为冲洗钻孔完毕后，放置30min，待孔内水排尽后，开启设备，将探头利用可接长钢杆以1m/min的速度匀速推进至孔底，整个过程中，应保证探头清晰，避免探头被水或煤粉遮挡。

2.3 巷道围岩松动圈观测结果

共提取30组钻孔图像，以距联巷200m左帮孔为例，通过计算绘制围岩裂隙圆形度曲线，如图4所示。

图4 距联巷200m左帮孔圆形度与孔深关系曲线

由图4可以看出，钻孔深度在0.81～1.23m时，圆形度变化量较大，当孔深为1.1m时，圆形度为8.42，当孔深增加到1.13m时，圆形度为2.25，随着孔深的进一步加大，圆形度始终在1.01～4.12区间内，没有发生较大幅度变化，因此，确定此钻孔松动圈范围为1.1m。

同理计算得出剩余钻孔的松动圈范围，结果见表1。2302工作面回风巷的探测孔较运输巷条件要差，回风巷工作面侧帮松动圈为1.1～3.5m，平均2.2m，顶板松动圈为1.2～3.9m，平均2.5m，煤柱侧帮松动圈范围为0.9～2.9m，平均2.1m。从钻孔结果分析，回风巷巷道两帮围岩松动圈大部分在2.3m范围内，两帮受采动影响松动圈范围在巷道锚固区外，煤体破碎区较多，顶板松动圈范围相对较大，巷道整体支护难度较大。

表1 回风巷围岩松动圈观测结果分析

3 巷道锚杆支护系统效果分析

针对三元中能煤业2302工作面巷道断锚现象，采用锚杆动力无损检测技术对2302工作面运输巷及回风巷锚杆支护系统的支护效果进行分析。

3.1 锚杆动力无损检测技术

锚杆动力无损检测仪(图5)是基于声波测试方法研制，该仪器可以对锚杆杆体及支护状态在没有任何损伤条件下快速、简便地测定其杆体的受力状态(轴向受力)、杆体的自由段和锚固段长度。适用于煤矿井下锚杆锚固长度和轴向受力的随机实时检测与支护质量评价；煤矿井下锚杆支护巷道的施工质量检测与评价。

图5 锚杆动力无损检测仪

3.2 锚杆无损检测现场测试

采用锚杆动力无损检测仪对中能煤业2302运输巷及回风巷锚杆进行轴力及锚固长度检测，对巷道右帮、顶板、左帮分别每隔一定距离测试一根锚杆，测试范围为锚杆支护巷道100～2450m内，共测试锚杆301根，其中帮锚杆测试197根，顶锚杆测试数量为104根，平均间隔距离约为50m。

3.3 巷道锚杆锚固质量评价

(1)锚杆轴力统计分析 锚杆轴力统计分析结果如表2所示。根据锚杆实时工作载荷测试结果：回风巷左帮锚杆受力正常率为79.17%，锚固异常锚杆占20.83%，锚杆轴力大小区间为20.9～69.7kN，锚杆轴力平均值为41.3kN，锚杆工作状态基本正常；右帮锚杆受力正常率为79.59%，锚杆轴力大小区间为22.4～83.4kN，锚杆轴力平均值为39.9kN；顶板锚杆受力正常率为78.85%，锚杆轴力大小区间为29.4～88.4kN，锚杆轴力平均值为57.4kN。

表2 回风巷锚杆轴力统计结果

分析结果可知：轴力正常率，两帮高于顶板；平均轴力大小的分布趋势为回风巷顶板>回风巷左帮(开采帮)>回风巷右帮(邻近采空区)。由此可以看出，顶板的平均轴力大于两帮轴力，开采帮平均轴力大于非开采帮。

值得注意的是，根据对回风巷锚杆测试结果深入分析，在回风巷顶板的轴力测试结果中，正常锚杆的锚固轴力有22%大于70kN，这是导致回风巷顶锚杆断裂的主要原因。回风巷右帮(邻近采空区)锚杆整体轴力普遍较低，但距联巷800～950，1150，2000～2150m附近锚杆轴力显著增大，应力相对集中，应对该区域进行重点防护，避免断锚、射锚事故发生。

(2)锚固长度统计分析 回风巷左帮，即开采帮锚杆的锚固长度0.62～1.11m，平均0.92m，右帮邻近采空区一侧的锚固长度在0.52～1.27m之间，平均为0.91m。顶板锚杆的锚固长度低于两帮，区间为0.54～0.99m，平均0.81m。整体而言，锚杆锚固长度基本符合设计要求。

4 巷道危险区域分类评价

三元中能煤业各巷道在现有支护基础上，巷道支护存在的隐患主要来源于断层、陷落柱、煤层厚夹矸、向斜、背斜。此外，在地质构造附近必定伴随着应力集中区域、煤层的节理层理发育程度较高等也是巷道危险的诱发因素。因此，根据三元中能煤业巷道围岩赋存实际情况，可将巷道危险区域分类为：节理层理发育主导的危险区域、高应力主导的危险区域、强烈采动影响的危险区域、地质构造主导的危险区域。

4.1 危险区域划分依据

(1)节理层理发育主导的危险区域 采用钻孔窥视仪，可快速、清晰地观测煤岩体中的节理、层理、裂隙等结构面及离层[7]，确定巷道围岩松动圈，松动圈内的煤体发生塑性破坏，出现一个松弛破碎带，根据围岩松动圈大小[8]，可对巷道节理层理发育主导的危险区域进行划分。

(2)高应力主导的危险区域 锚杆无损检测技术，可以对锚杆杆体的受力状态及杆体的自由段和锚固段长度进行快速测定[9]，根据测试结果，可以判断锚杆轴力大小及锚固长度，通过分析锚杆轴力的分布特征，可以反映出巷道围岩应力集中程度，从而确定围岩高应力区范围[10]，以此确定巷道高应力主导的危险区域。

(3)强烈采动影响的危险区域 工作面自开切眼推进，采空区面积逐渐增大，随着工作面的推进，将经历基本顶初次来压、本工作面“见方”，与已采的工作面组成双工作面“见方”等采动阶段，这些运动阶段前后的顶板活动高度增加、范围加大，对工作面及工作面运输巷和回风巷影响加剧[11-12]。同时，回风巷受相邻2301工作面回采动压影响，因而可认为此处巷道属于强烈采动影响的危险区域。

(4)地质构造主导的危险区域 地质构造带区域划分，可以对巷道内断层、褶皱、氧化带、陷落柱等区域进行确定，确定巷道地质构造高应力区域或者软弱围岩区域，以此确定巷道危险区域。

基于以上方法，确定不同类别的巷道危险区域，在此基础上，综合各种方法所得结果，达到确定三元中能煤业各采准巷道危险区域的目的。

4.2 危险区域划分结果

(1)节理层理发育主导的危险区域划分 钻孔窥视结果表明，600m处顶孔裂隙较为发育，3.0～4.2m煤体比较破碎，右帮2.5m范围内煤体裂隙较多；1000m处，顶孔3.7m范围内煤体裂隙发育；1200m处，左帮孔基本上整体较为破碎；1400～1600m处顶孔2.9～3.9m范围内煤体裂隙发育；1600m处，右帮2.9m内裂隙较为发育，左帮3.5m范围内裂隙较为发育、破碎。

从回风巷整体上看，煤体裂隙较为发育；1600m处煤体裂隙最为发育，其次为1000m处煤体裂隙较为发育，各处顶板裂隙发育程度较高，两帮情况相对好。600，1000，1200，1400，1600m可确定为节理层理发育主导的危险区域。

(2)高应力主导的危险区域划分 根据回风巷锚杆轴力检测结果，距联巷600～950m位置多处顶板锚杆轴力达到80kN以上，巷道右帮轴力普遍偏大，属明显的应力集中区；1150m处右帮锚杆轴力达到83.4kN、左帮锚杆轴力达到61.6kN，也有明显的应力集中现象；此外1400～1500，1700～2000以及2150m处锚杆轴力普遍较大，均属于高应力主导危险区域。

(3)强烈采动影响的危险区域划分 根据工作面强烈采动影响条件下巷道危险区域确定方法，在本工作面推进步距30m左右时、工作面推进至“单工作面‘见方’”(即推进1个工作面长度260m)时、工作面推进至“双工作面‘见方’”(即推进2302，2301工作面长度之和510m)时、工作面回风巷进入邻近2301工作面回采动压影响带时，均为巷道危险区域，由此确定2302工作面回风巷危险区域为1000，1540，1790和2020m。

(4)地质构造主导的危险区域划分 根据巷道地质构造带区域内断层、褶皱、风化带、陷落柱、角砾岩侵入区等区域位置判定，确定巷道地质构造区域或者软弱围岩区域，以此确定巷道危险区域。根据2302工作面地质构造图，确定回风巷共有3处地质构造带区域，确定为巷道危险区域，即X20陷落柱位于回风巷东侧，最近处距离32m，距联巷578m，长度158m；距联巷1707m处，有断层1条，H1=1.4m，∠=50°；距联巷2026m处，有断层1条，H2=3m，∠=45°。

4.3 巷道危险区域综合评价

综合钻孔窥视、无损检测、地质构造带及现场勘察等分析方法，综合确定各采准巷道危险区域，建议对以下危险区域加强矿压观测并及时补强支护。

(1)节理裂隙发育主导的危险区域：300，900，1500和1900m。

(2)高应力主导的危险区域：600，700，800，900，950，1100，1400，1500，1700，1800，1900，2000和2150m。

(3)强烈采动影响主导的危险区域：1000，1540，1790和2020m。

(4)地质构造主导的危险区域：578，1707和2026m。

综合各种方法所得巷道危险区域，确定各种方法下巷道高危区域，分别为300～330，700～710，900～920，960～1100，1500～1540，1900和2000～2020m，如图6所示。

图6 巷道危险区域综合划分(有色区域为危险区域)

5 结 论

(1)采用钻孔窥视技术对三元中能煤业回采巷道围岩松动圈进行了测试，2302工作面回风巷两帮围岩松动圈大部分在2.3m范围内，两帮受采动影响松动圈范围在巷道锚固区外，煤体破碎区较多，顶板松动圈范围相对较大，巷道整体支护难度较大。

(2)采用锚杆无损检测技术对2302工作面回风巷锚杆锚固质量进行了测试，结果表明两帮锚杆正常率高于顶板。锚杆轴力的分布趋势为：回风巷顶板>回风巷左帮(开采帮)>回风巷右帮(邻近采空区)。顶板的平均轴力大于两帮轴力，开采帮平均轴力大于非开采帮。

(3)锚杆无损检测结果表明：回风巷顶板有1/3的锚杆锚固轴力大于70kN，这是导致回风巷顶锚杆断裂的主要原因。回风巷右帮(邻近采空区)锚杆整体轴力普遍较低，但距联巷800～950，1150及2000～2150m附近锚杆轴力显著增大，应力相对集中，应对该区域进行重点防护，避免断锚、射锚事故发生。

(4)根据三元中能煤业巷道围岩赋存情况，将巷道危险区域划分为节理层理发育主导的危险区域、高应力主导的危险区域、强烈采动影响的危险区域、地质构造主导的危险区域。根据危险区域的分类及综合评价结果，可以改变现有的矿压监测测点平均布置方案，将测点重点布置在确定的危险区域中进行重点监测和支护改进。

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[责任编辑：邹正立]

2017-02-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.014

郑金平(1981-)，男，山西吕梁人，工程师，主要从事煤矿安全高效开采技术及管理工作。

郑金平.三元中能煤业采准巷道危险区域划分与评价[J].煤矿开采，2017，22(4)：52-56.

TD353

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1006-6225(2017)04-0052-05