煤礦巷道層狀圍巖松動(dòng)圈范圍的發(fā)育規(guī)律

胡世敬，裴 鉆

（1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

巷道開挖后，巖體中原始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，重新分布，巷道附近的應(yīng)力由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成二向應(yīng)力狀態(tài)，徑向力近乎為0，應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度時(shí)致使圍巖變形破壞，直至應(yīng)力小于或等于巖體強(qiáng)度破壞停止，通常形成不規(guī)則的環(huán)形范圍稱為圍巖松動(dòng)圈[1-4]。圍巖松動(dòng)圈是構(gòu)造應(yīng)力、圍巖屬性及結(jié)構(gòu)特征共同作用的綜合性結(jié)果，隨著時(shí)間以及應(yīng)力不斷的演化改變，宏觀呈現(xiàn)由表及里，由局部到整體的特征[5-6]。目前關(guān)于松動(dòng)范圍確定主要分為物理檢測和理論解析計(jì)算（包括數(shù)值分析和物理模型），從不同角度確定了圍巖松動(dòng)圈范圍及發(fā)育規(guī)律[7-9]。其中物理檢測最直觀，直接反映圍巖特征，常用方法包括超聲波、地質(zhì)雷達(dá)、地震波、滲透率測試、電阻率測試、鉆孔窺視等。理論解析計(jì)算主要有彈塑性應(yīng)力解析、Hoek-Brown強(qiáng)度折減法、雙剪切理論、無量綱理論以及有限元數(shù)值分析、物理模型理論推導(dǎo)等[10-13]。然而，理論研究有較多的限制與假設(shè)，通常與實(shí)際地質(zhì)情況有誤差。目前，聲波監(jiān)測圍巖松動(dòng)圈范圍廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程并取得較好的效果[14]。以貴州織金煤礦巷道為研究實(shí)例，采用聲波測試方法確定松動(dòng)范圍，重點(diǎn)分析研究巷道軸線與巖層走向在不同夾角情況下的圍巖松動(dòng)圈的發(fā)育范圍和規(guī)律。

1 工程概況及聲波測試

1.1 煤礦巷道地質(zhì)概況

貴州織金煤礦位于揚(yáng)子江臺地，屬于云貴高原。煤礦位于織金背斜北西一翼，巷道位于地下200～300 m，圍巖巖體為三疊系法郎組中-下統(tǒng)層狀粉質(zhì)砂巖，巖層為單斜構(gòu)造，巖層傾角為27°～32°。圍巖節(jié)理較發(fā)育，圍巖密度為2.7 g/cm3，體積模量為1.22 GPa，剪切模量為 0.72 GPa，內(nèi)摩擦角為 33°，黏聚力為 3.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為 1.34 MPa。

1.2 聲波測試原理及方法

根據(jù)彈塑性介質(zhì)中的波動(dòng)理論，一般應(yīng)力波波速公式為：

式中：vp為圍巖聲波速度；ρ為圍巖密度；E為圍巖彈性模量；μ為圍巖泊松比。

聲波測試原理為采用聲波在不同裂隙巖體介質(zhì)中傳播速度衰減特征，判斷介質(zhì)屬性差異。對于同一巖體介質(zhì)而言，完整性高則聲波速度快；完整性低，則聲波速度慢。對于獲取的“深度-聲波速度”曲線，在速度的突變處，通?？梢耘卸樗蓜?dòng)圈范圍邊界[14-15]。深度-聲波速度關(guān)系圖如圖1。

圖1 深度-聲波速度關(guān)系圖

此次聲波儀器采用的是RSM-SY5型聲波儀，由武漢中巖科技公司所生產(chǎn)，單孔測試采用一發(fā)雙收，由內(nèi)而外沿孔壁連續(xù)觀測，移動(dòng)步距為20 cm。聲波測試示意圖如圖2。

圖2 聲波測試示意圖

計(jì)算聲波速度v所使用的計(jì)算公式為：

式中：t1、t2為聲波從發(fā)射探頭到相應(yīng)接受探頭的歷時(shí)；L1、L2為發(fā)射探頭到相應(yīng)接受探頭的距離。

1.3 聲波測試方案

礦區(qū)巷道根據(jù)不同生產(chǎn)作業(yè)功能，分為2種斷面形式。直墻拱形巷道，寬度 B 為 3.5～4.5 m，平均為 4.0 m，拱高 h1為 1.0～1.5 m，平均為 1.2 m，h2為1.8～2.5 m，平均為 2.1 m；圓拱形巷道，寬度 B 為3.5～4.0 m，平均為 3.8 m，高度 H 為 3.0～3.5 m，平均為3.2 m。聲波測試鉆孔以環(huán)形布置，共設(shè)8個(gè)測試部位并予以編號（1#～8#），直墻拱形和圓拱形斷面測試布置如圖3和圖4。

圖3 直墻拱形斷面測試布置圖

圖4 圓拱形斷面測試布置圖

測試斷面分為4種類型：巷道軸向與巖層走向的夾角 α 為 0°（近似平行狀態(tài)）、30°±5°、60°±5°以及90°（近似垂直狀態(tài)），每種類型的斷面測試4～6組。2種斷面形式共測試不少于32組，以避免離散型統(tǒng)計(jì)?？咨钤O(shè)計(jì)必須滿足聲波速度近似原巖波動(dòng)速度，明確判定為非松動(dòng)破裂區(qū)。

2 圍巖松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律

2.1 松動(dòng)圈范圍判定

圍巖松動(dòng)圈根據(jù)現(xiàn)場測試孔獲取的聲波速度以及測試孔的深度，繪制“深度-聲波速度”圖。一般由巷道墻壁及里，聲波速度會逐漸增加，但存在反復(fù)現(xiàn)象，聲波出現(xiàn)突變，并且維持與原巖速度一定范圍內(nèi)，則為松動(dòng)范圍的邊界。選擇某個(gè)巷道走向與巖層走向近似平行的直墻拱形斷面的測試孔（1#、2#、3#、4#、6#）為例，直墻斷面聲波測試實(shí)例圖如圖5。從圖5中可得，該斷面的原巖聲波平均速度約為3 210 m/s，測試孔初始段聲波速度為1 650～1 870 m/s，平均約為1 750 m/s，但聲波突變對應(yīng)的測試孔深度l存在較大差異，分別取值為：l1=2.74 m，l2=4.34 m，l3=2.24 m，l4=2.59 m，l6=1.92 m。

圖5 直墻斷面聲波測試實(shí)例圖

2.2 松動(dòng)圈范圍測試成果

根據(jù)上述聲波測試圍巖松動(dòng)圈的范圍的判定方法，共計(jì)測試40組，成果統(tǒng)計(jì)見表1。依據(jù)測試松動(dòng)圈的長度l，繪制的巷道軸向與巖層走向不同夾角α情況下直墻拱形斷面和圓拱形斷面圍巖松動(dòng)圈范圍發(fā)育規(guī)律如圖6～圖7。

表1 松動(dòng)圈測試成果表

圖6 直墻拱形斷面層狀圍巖巷道松動(dòng)圈范圍發(fā)育規(guī)律圖

2.3 直墻拱形斷面松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律

直墻拱形斷面巷道軸向與巖層走向夾角α由0°到90°范圍內(nèi)變化，圍巖松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律主要表現(xiàn)以下幾點(diǎn)：①當(dāng)夾角為0°（近似平行）時(shí)，圍巖松動(dòng)圈最大部位為順傾側(cè)壁拱腳，其次為拱頂以及側(cè)壁部位，最大松動(dòng)長度近似等于巷道寬度B，反傾側(cè)壁則松動(dòng)范圍較小，約為巷道寬度的B/3～B/2；②隨著夾角α逐漸增大，順傾側(cè)壁拱腳松動(dòng)范圍逐漸減小，而其它部分松動(dòng)范圍逐漸增大，直至夾角90°（近似垂直）時(shí)，巷道拱頂以及兩側(cè)松動(dòng)圈范圍基本一致，約為（B/2±0.4）m；③當(dāng)夾角為 0°（近似平行）時(shí)巷道底板松動(dòng)區(qū)范圍最大，約為B/2；當(dāng)夾角α逐步增大后，松動(dòng)范圍變化不大，通常為（B/3±0.3）m；順傾直墻腳部位的松動(dòng)范圍隨著夾角α的變大逐漸呈現(xiàn)由大變小，反傾直墻腳部松動(dòng)范圍則相反。

圖7 圓拱形斷面層狀圍巖巷道松動(dòng)圈范圍發(fā)育規(guī)律圖

2.4 圓拱形斷面松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律

圓拱形斷面巷道軸向與巖層走向夾角α由0°到90°范圍內(nèi)變化，圍巖松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律主要表現(xiàn)以下幾點(diǎn)：①當(dāng)夾角為0°（近似平行）時(shí)，圍巖松動(dòng)圈最大部位為順傾側(cè)壁中上部，其次為拱頂以及側(cè)壁拱腳，最大松動(dòng)長度近似等于巷道寬度2B/3～B，反傾側(cè)壁松動(dòng)范圍則較小，約為巷道寬度的B/4～B/3；②隨著夾角α逐漸增大，順傾側(cè)壁范圍逐步減小，而反傾側(cè)壁逐漸增大，直至夾角為90°（近似垂直）時(shí)，兩側(cè)壁松動(dòng)范圍近似一致，約為3B/4～B；③隨著夾角α的逐漸增大，拱頂松動(dòng)范圍逐漸減小，約為B/3～2B/3，拱腳松動(dòng)范圍變化不大，通常為B/4～B/3范圍內(nèi)。

3 巷道圍巖設(shè)計(jì)及支護(hù)建議

當(dāng)夾角α=0°，或小角度近似平行時(shí)，順層側(cè)壁至拱頂部位松弛范圍最大，尤其是拱上側(cè)角最大可達(dá)巷道寬度B，甚至更長；隨著夾角α=0°逐步增大，松動(dòng)范圍逐漸不出現(xiàn)兩側(cè)壁近似一致，拱頂松動(dòng)范圍逐步降低，巷道底板松動(dòng)范圍變化不大；隨著夾角α的逐步增大，直墻拱形斷面巷道的松動(dòng)范圍近似垂直方向較長，水平方向較短的不規(guī)則橢圓形狀，而圓拱形斷面巷道則形成水平方向較長，垂直方向較短的不規(guī)則橢圓形狀。

因此，巷道設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)地質(zhì)情況，尤其是考慮巖層空間分布，在滿足生產(chǎn)條件的前提下，巷道軸向線盡量與巖層走向垂直，或大角度相交，則松動(dòng)區(qū)范圍相對較小。圖6和圖7的松動(dòng)區(qū)范圍分布情況可作為巷道支護(hù)的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

1）通過聲波測試方法，確定織金煤礦層狀巷道松動(dòng)巖體的聲波平均速度為1 750 m/s，原巖聲波平均速度為3 210 m/s，巷道開挖后巖體質(zhì)量下降明顯。以巷道走向與巖層夾角α的大?。?°（近似平行）、30°±5°、60°±5°以及 90°（近似垂直）） 為分類依據(jù)，將直墻拱形斷面和圓拱形斷面分別進(jìn)行多樣本測試，獲取松動(dòng)圈發(fā)育規(guī)律。

2）當(dāng)夾角α為0°（近似平行）時(shí)，巷道松動(dòng)范圍呈非對稱性，順傾側(cè)壁（2#測試孔）最大松動(dòng)長度約為巷道寬度B；夾角α由小變大的過程，順傾側(cè)壁以及拱頂?shù)乃蓜?dòng)范圍逐漸減小，而反傾側(cè)壁松動(dòng)圈范圍逐漸增大，直至近似一致；拱頂松動(dòng)范圍隨著夾角α的變大逐步變小，而巷道底板松動(dòng)范圍變化不大。

3）以測試結(jié)果為依據(jù)，繪制了層狀圍巖松動(dòng)圈的發(fā)育規(guī)律，為巷道的設(shè)計(jì)以及支護(hù)提供了可靠依據(jù)。