礦山回采巷道圍巖松動(dòng)圈空間效應(yīng)研究

楊 凡，武 宇

（1.甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083）

在巖體中進(jìn)行井巷開挖，巷道圍巖受到開挖產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，應(yīng)力重分布，進(jìn)而產(chǎn)生變形甚至破壞[1]。圍巖應(yīng)力重分布對(duì)巷道自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，因而需要施作一定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，用以維持圍巖穩(wěn)定?；夭上锏绹鷰r松動(dòng)空間效應(yīng)研究的意義在于，能夠準(zhǔn)確地確定回采過程中巷道圍巖的應(yīng)力變化情況，為巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)和措施的選取提供準(zhǔn)確的依據(jù)[2]。

1 多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)試法原理

多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)試法通過測(cè)量出不同深度處圍巖松動(dòng)位移變化值，根據(jù)相鄰兩點(diǎn)位移變化的相對(duì)值來(lái)確定不同深度區(qū)段巷道圍巖的位移變化情況。當(dāng)相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位移量隨時(shí)間變化不斷增大時(shí)，表明隨著回采工作面的推進(jìn)，兩測(cè)點(diǎn)間圍巖內(nèi)部正在發(fā)生松動(dòng)或者破裂[3-7]。因此根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移與時(shí)間的變化情況，可以大致確定圍巖松動(dòng)圈的范圍，其原理如圖1所示。

圖中，多點(diǎn)位移計(jì)有4個(gè)測(cè)點(diǎn)，隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)上會(huì)出現(xiàn)各點(diǎn)的絕對(duì)位移量。在數(shù)據(jù)處理過程中，通常采用相鄰兩點(diǎn)求相對(duì)位移的方法，以確定不同深度圍巖的松動(dòng)情況。通過不同組相對(duì)位移數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可得到巷道松動(dòng)圈的范圍[8，9]。

2 松動(dòng)圈空間效應(yīng)研究實(shí)例

工作區(qū)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地表植被茂密，以喬木為主，上覆巖層厚度320m～600m。工作區(qū)段位于黃陵2號(hào)煤礦2盤區(qū)201輔運(yùn)巷進(jìn)巷深度1185m～1285m。順槽斷面為矩形，尺寸為3.6m×4.6m，走向339°。

圖1 多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量法示意圖

圖2 測(cè)試斷面布置圖

2.1 測(cè)點(diǎn)布置方案

測(cè)試斷面布置如圖2所示，區(qū)段內(nèi)共布置3個(gè)測(cè)試斷面，分別位于201輔運(yùn)巷進(jìn)巷深度1185m處、1235m處、1285m處，斷面之間相距50m。2號(hào)斷面位于201輔運(yùn)巷與4聯(lián)巷交匯處。測(cè)孔（點(diǎn)）布置如圖2所示。各測(cè)試斷面頂孔位于頂板中線上，孔深10m，孔徑50mm，孔向豎直。頂孔中先進(jìn)行波速測(cè)試，后安裝多點(diǎn)位移計(jì)，位移計(jì)的四個(gè)錨固點(diǎn)（即監(jiān)測(cè)點(diǎn)）伸入孔內(nèi)的深度分別為2m、4m、8m、10m。兩幫測(cè)點(diǎn)選擇位于腰線處的兩個(gè)錨桿，安裝錨桿測(cè)力計(jì)。

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)，1-2、3-2測(cè)孔中相鄰兩測(cè)點(diǎn)位移差與測(cè)試面距回采工作面距離的變化曲線圖，如圖3、圖4所示。

圖3 1-2測(cè)孔監(jiān)測(cè)曲線

圖4 3-2測(cè)孔監(jiān)測(cè)曲線

各測(cè)孔波速測(cè)試結(jié)果見圖5。由于回采過程過程中巷道發(fā)生較嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象，巷道兩幫的圍巖因破碎嚴(yán)重而不能將由圍巖松動(dòng)所產(chǎn)生的壓力很好地傳遞給錨桿測(cè)力計(jì)的護(hù)板，因此所得數(shù)據(jù)離散性較大。經(jīng)初步分析，1-3測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)比較完整且具有代表性。根據(jù)錨桿測(cè)力計(jì)標(biāo)定曲線，對(duì)1-3測(cè)試點(diǎn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，并繪制回采工作面推進(jìn)過程中錨桿測(cè)力計(jì)受力曲線圖，見圖6。

圖5 波速測(cè)試曲線

圖6 錨桿測(cè)力計(jì)受力曲線

2.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

（1）對(duì)測(cè)孔深度與波速變化曲線進(jìn)行分析，孔深3.5m處測(cè)得縱波波速相對(duì)于其他深度整體較低，說(shuō)明孔深3.5m處巖體受開挖的影響較大，巖體破碎，裂隙發(fā)育。在測(cè)孔深度4m處，縱波波速均大幅上升，根據(jù)松動(dòng)圈聲測(cè)法原理，判定測(cè)試區(qū)段內(nèi)圍巖松動(dòng)圈范圍為4m左右。

（2）對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行分析，4m測(cè)點(diǎn)相對(duì)于2m測(cè)點(diǎn)的位移遠(yuǎn)大于8m測(cè)點(diǎn)相對(duì)于4m測(cè)點(diǎn)的位移，可以認(rèn)為4m范圍內(nèi)發(fā)生了較大的裂隙破壞。可以判定松動(dòng)圈范圍在4m左右，這點(diǎn)結(jié)論與波速測(cè)試結(jié)果具有一致性。

（3）對(duì)錨桿測(cè)力計(jì)及多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，100m處各曲線斜率急劇增大，說(shuō)明當(dāng)回采面距離監(jiān)測(cè)面約100m時(shí)，頂板沉降和錨桿受力出現(xiàn)明顯增加，表明采煤工作面的推進(jìn)已對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。從安全生產(chǎn)而言，此時(shí)即應(yīng)進(jìn)行巷道的超前支護(hù)。這點(diǎn)結(jié)論可以為回采過程中巷道圍巖松動(dòng)圈空間效應(yīng)研究提供重要依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，使用波速及多點(diǎn)位移計(jì)結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試，能夠較好地得出了回采過程中巷道圍巖松動(dòng)圈的演變規(guī)律，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。