泥巖頂?shù)装逑锏浪蓜?dòng)圈范圍的確定

崔乃梟 CUINai-xiao；陳美星 CHEN M ei-xing；周成 ZHOU Cheng；程桐 CHENG Tong；王澤霖 WANG Ze-lin

（遼寧石油化工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，撫順113001）

0 引言

近幾年不斷發(fā)展完善的巷道圍巖松動(dòng)圈理論已經(jīng)成為巷道支護(hù)和維修的主要依據(jù)。圍巖松動(dòng)是應(yīng)力對圍巖作用的結(jié)果，是在巷道周圍一定范圍內(nèi)形成的圍巖裂隙帶。松動(dòng)圈的大小與井巷的穩(wěn)定性和支護(hù)的難易程度密切相關(guān)，松動(dòng)圈越大，圍巖穩(wěn)定性就越差，支護(hù)也越困難，從圍巖松動(dòng)范圍合理地選擇錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，在保持圍巖完整性的前提下，對于簡化支護(hù)的結(jié)構(gòu)、節(jié)約支護(hù)材料、減少支護(hù)費(fèi)用、充分發(fā)揮巖體的自身支承作用有著重要的意義。

1 測試地點(diǎn)概況

本次研究選取霍州煤電集團(tuán)辛置礦310軌道巷為測試巷道，此巷道位于310水平，巷道頂?shù)装寰鶠槟囗搸r，巖層松軟，破碎。在巷道中選取收縮變形較嚴(yán)重的臨近水倉20處地段進(jìn)行。巷道中每隔20米測試一組斷面，共測試6個(gè)斷面，每個(gè)斷面測試3個(gè)孔，如圖1、2所示。最終分別得出松動(dòng)圈隨時(shí)間變化曲線和松動(dòng)圈隨距離變化曲線。

圖1 測試斷面位置圖

圖2 鉆孔布置圖

2 松動(dòng)圈測試原理

未受巷道掘進(jìn)和開采影響的煤體或巖體其物理性質(zhì)具有連續(xù)性，煤巖體密實(shí)均勻，特別是較堅(jiān)硬的煤體和巖體，這種特性更為明顯。由于礦井的開拓和開采影響，煤巖體受到非自然因素的破壞影響，使得臨近巷道或回采工作面的煤巖體物理性質(zhì)發(fā)生改變。最為明顯的改變是在煤巖體中掘進(jìn)巷道以后，煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化，形成卸壓區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。一般從巷道壁向煤巖層內(nèi)部2～4m為卸壓區(qū)，此區(qū)域內(nèi)煤巖體松散，孔隙率增加，失去了原有的支撐作用，習(xí)慣上把這一區(qū)域成為松動(dòng)圈。

目前，松動(dòng)圈探測系統(tǒng)根據(jù)其工作原理不同可分為地震折射層析法、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法、多點(diǎn)位移計(jì)量法和超聲波探測法等幾種。前三種方法需要使用精密儀器，對于不具備相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的煤礦企業(yè)來說實(shí)現(xiàn)很困難，不易采用。而多點(diǎn)位移計(jì)量測法需要預(yù)埋大量測點(diǎn)，測點(diǎn)本身也會(huì)影響煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)，造成測量誤差，故本次測量采用的超聲波探測方法。

超聲波法是圍巖松動(dòng)圈測試技術(shù)中最常用的方法，使用超聲波作為載體，通過專用的儀器測量聲波在巖體內(nèi)傳播的速度。對于性質(zhì)完全相同的煤巖體，聲波在密實(shí)的煤巖體和松散破碎的煤巖體中傳輸?shù)乃俣炔煌?。也就是對于相同長度的探測鉆孔，聲波發(fā)射和返回的時(shí)間不同。通過測試設(shè)備讀數(shù)，找到聲波傳輸?shù)臅r(shí)間突變點(diǎn)，這一時(shí)間突變點(diǎn)對應(yīng)破碎煤巖體的深度，從而確定松動(dòng)煤巖體的范圍，也就是松動(dòng)圈的范圍，以此研究煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)。

松動(dòng)圈內(nèi)煤巖體由于采動(dòng)的影響產(chǎn)生了裂隙，超聲波在其中的傳輸速度相對于深部未受采動(dòng)影響的煤巖體而言要低。因此，此方法是通過在巷道壁鉆孔，測出聲波縱波速度在圍巖鉆孔中分布的“波速（v）—孔深（l）曲線”或者“時(shí)間（t）—孔深（l）曲線”，如圖3所示，判定圍巖松動(dòng)圈范圍。

具體到本次使用的西安中沃測控技術(shù)有限公司開發(fā)的超聲波圍巖裂隙探測儀而言，發(fā)射換能器F在鉆孔中發(fā)射超聲波，超聲波在鉆孔中傳播。在發(fā)射換能器F發(fā)射超聲波的同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)接收換能器I收到超聲波信息后停止計(jì)時(shí)，得出聲波在F-I之間的傳播時(shí)間，由此計(jì)算出波速：V=L/s×103m/s。

圖3 超聲波測孔曲線

式中，L-為發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離，其值為140mm；S-超聲波在鉆孔中的傳播時(shí)間，單位us。

3 松動(dòng)圈測試步驟

測試采用普通的鑿巖鉆機(jī)鉆探測孔，預(yù)計(jì)松動(dòng)圈的范圍不會(huì)超過4m，所以選用4米長度的鉆桿。對于辛置礦310軌道巷而言，由于巷道兩側(cè)受到的采動(dòng)影響不同，只有一側(cè)受到采動(dòng)影響，觀察發(fā)現(xiàn)左右?guī)推茐某潭炔煌?，巷道幫兩?cè)移近量區(qū)別較大，可以判斷兩幫的松動(dòng)圈范圍不等。因此，巷道兩幫分別鉆探探測鉆孔。為了保證鉆孔注水探測的效果，鉆孔向下傾斜3°～5°。由于巷道頂?shù)装寰鶠槟噘|(zhì)頁巖，容易塌孔，鉆孔直徑要大于實(shí)際需要20mm，并在近段時(shí)間內(nèi)成孔，并及時(shí)注水探測。如果發(fā)生塌孔或者孔徑變小等情況，要及時(shí)擴(kuò)孔，保證探測數(shù)據(jù)的正確性。

具體測試步驟如下：①用鑿巖機(jī)或探水鉆機(jī)打孔；②清理鉆孔，清掃鉆孔中殘留的煤巖粉碴；③將探頭發(fā)射換能器F端送至鉆孔底部，由于鉆孔向下傾斜，不必封孔；④保證鉆孔壁沒有破碎的情況下，向鉆孔注水，必須注滿；⑤啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，每次將探頭向外抽動(dòng)10cm，讀數(shù)計(jì)時(shí)；⑥當(dāng)探測設(shè)備完全抽出鉆孔后，整理計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，繪制聲-時(shí)變化曲線。

4 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果

通過測試辛置煤礦310軌道巷兩幫圍巖的松動(dòng)圈大小，獲取巷道的礦壓信息，研究巷道穩(wěn)定性、變形破壞機(jī)理和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為合理確定煤幫錨桿支護(hù)的參數(shù)和注漿加固圍巖參數(shù)提供依據(jù)。

由于松動(dòng)圈內(nèi)巖石破碎，超聲波通過松動(dòng)圈時(shí)比完整巖石所需聲時(shí)較長，從曲線的聲時(shí)突變點(diǎn)可以得出松動(dòng)圈的大小。

通過對辛置煤礦310軌道巷測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析處理，繪出聲時(shí)隨孔深的變化關(guān)系曲線。310軌道巷左幫關(guān)系曲線如圖4、5所示。可以看出，2個(gè)測點(diǎn)測得的310軌道巷左幫的松動(dòng)圈大小分別約為2.8m、3.4m。

圖4 左幫測點(diǎn)1的聲時(shí)變化曲線（2.8m）

左幫測點(diǎn)1、測點(diǎn)2獲得的部分波形圖如圖6、圖7所示。

圖6 左幫測點(diǎn)1的部分波形圖

圖7 左幫測點(diǎn)2的部分波形圖

310軌道巷右?guī)蜏y點(diǎn)1、2聲時(shí)變化曲線分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，2個(gè)測點(diǎn)測得的310軌道巷右?guī)偷乃蓜?dòng)圈大小分別約為2.4m、2.0m。

圖8 右?guī)蜏y點(diǎn)1的聲時(shí)變化曲線（2.4m）

圖9 右?guī)蜏y點(diǎn)2的聲時(shí)變化曲線（2.0m）

右?guī)蛶蜏y點(diǎn)1、測點(diǎn)2獲得的部分波形圖如圖10、圖11所示。

圖10 右?guī)蜏y點(diǎn)1的部分波形圖

通過現(xiàn)場松動(dòng)圈測試，得出辛置煤礦310軌道巷道松動(dòng)圈情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1可以看出，辛置煤礦310軌道巷，左幫松動(dòng)圈大小平均為3.1m，最大3.4m；右?guī)退蓜?dòng)圈平均為2.2m，最大2.4m。

圖11 右?guī)蜏y點(diǎn)2的部分波形圖

表1 辛置煤礦310軌道巷松動(dòng)圈情況統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

①由于左幫受到開采動(dòng)壓的影響，圍巖破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于右?guī)?。通過現(xiàn)場測試，310軌道巷松動(dòng)圈范圍左右?guī)筒煌?，平均值分別為3.1m和2.2m，驗(yàn)證了這一實(shí)際情況。②測試結(jié)果說明，當(dāng)使用錨桿支護(hù)巷道時(shí)，不能選擇通長度為2.0m的常用錨桿，對圍巖起不到應(yīng)有的支護(hù)作用。左幫應(yīng)該選擇3.5m，右?guī)瓦x擇2.5m長的錨桿。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果選擇的錨桿長度，在現(xiàn)場取得了良好的支護(hù)效果。③如果利用注漿加固圍巖，注漿孔至少3.5m以上，應(yīng)至少根據(jù)3.5擴(kuò)散半徑選擇注漿參數(shù)。

[1]董方庭等.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994，01.

[2]孟慶彬等.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論及測試技術(shù)[J].中國礦山工程，2010,06.

[3]靖洪文等.軟巖巷道圍巖松動(dòng)圈變形機(jī)理及控制技術(shù)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999,06.