基于鉆孔窺視法與聲波法的巷道松動圈測定

趙育云，張興文，王 斌，王貴余，孫劉詠，惠保安，魏宗勇

(1.陜西建新煤化有限責(zé)任公司，陜西 延安 727300；2.陜西陜煤蒲白礦業(yè)公司，陜西 渭南 715517；3.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

0 引言

巷道松動圈的產(chǎn)生是由于原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)在開挖之后，圍巖的應(yīng)力分布發(fā)生改變，當圍巖的強度小于其分布應(yīng)力值時，圍巖發(fā)生破斷形成松動圈[1]。巷道松動圈的測定對于巷道的支護參數(shù)優(yōu)化、支護方案設(shè)計起到了至關(guān)重要的作用[2]。且巷道松動圈關(guān)系到瓦斯抽采鉆孔深度確定，從而提高瓦斯抽采效果[3-4]。因此，無論是從安全的角度出發(fā)，還是從經(jīng)濟效益的角度考慮，對于松動圈的測定都非常有必要。

對于巷道松動圈范圍測定的常規(guī)方法有多種。例如，點位移計量測法、地震波法、地質(zhì)雷達探測法、超聲波法、形變-電阻法、鉆孔窺視法和滲透法等，但是在實際測定中，最常應(yīng)用的是超聲波法和鉆孔窺視法[5-7]。對于巷道松動圈探測技術(shù)的發(fā)展歷程中包含以下幾個重要事件。楊永杰等[8]采用地質(zhì)雷達探測了華豐礦巷道圍巖松動圈，并優(yōu)化了巷道圍巖錨桿設(shè)計；姜德義等[9]采用地質(zhì)雷達研究了地質(zhì)偏壓隧道圍巖松動圈分布變化規(guī)律，揭示了隧道圍巖破壞模式和初襯開裂原因，并提出了治理措施；蔣邦友等[10]依據(jù)探地雷達松動圈探測機理，確定了圍巖松動圈范圍，據(jù)此對巷道支護方案進行了優(yōu)化；伍永平等[11]基于巷道圍巖松動圈雷達探測結(jié)果，改進了巷道斷面形狀，實現(xiàn)了巷道圍巖穩(wěn)定性控制。1977年，長春煤研所研制出了用于煤礦條件的超聲波圍巖裂隙探測儀，至此為超聲波法探測技術(shù)奠定了基礎(chǔ)[12]；2009年，靖洪文等[13]基于數(shù)字視頻、圖像處理技術(shù)，研制出一款應(yīng)用于松動圈探測的數(shù)字窺視儀，至此，提出了用鉆孔圖像中圍巖裂縫的圓形度指標作為判斷圍巖松動圈標準的新思路。

1 巷道松動圈形成機理

巷道在進行挖掘之后，原本圍巖穩(wěn)定的狀態(tài)會受到應(yīng)力的不平衡影響，進入不穩(wěn)定狀態(tài)。即圍巖中存在應(yīng)力集中區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)圍巖應(yīng)力一般大于巖體強度。所以，該過程中巷道周邊應(yīng)力由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成二向應(yīng)力狀態(tài)，徑向力為零，導(dǎo)致周邊區(qū)域的巖體進入破壞狀態(tài)。圍巖松動圈是在圍巖應(yīng)力重新分布過程中，在圍巖應(yīng)力超過圍巖強度后形成的，其力學(xué)特性表現(xiàn)為應(yīng)力和強度的降低[14]。即所謂的松動圈既是圍巖的應(yīng)力松弛帶，如圖1所示。圍巖松動圈在一定程度上反映了該工作面的地質(zhì)條件、圍巖條件等其他參數(shù)。通過松動圈的參數(shù)，可以制定具體的支護方案、支護參數(shù)。

2 巷道松動圈測定

2.1 探測方法與測試地點選擇

試驗對象為陜西建新煤化有限責(zé)任公司(以下簡稱建新煤礦)礦井，礦井井田的地勢是西南部高、東北部低，一般標高在+1 350～1 600 m之間。礦井主采4-2號煤層賦存于延安組第1段下次級旋回的頂部，呈層狀產(chǎn)出，煤層埋深433.88～810.98 m，一般在520～700 m之間。煤層厚度0.0～11.74 m，平均5.68 m，主體部分(古凹陷的中心部位)煤層穩(wěn)定在4～10 m，平均8.33 m，煤層由凹陷的中心向周邊逐漸變薄的規(guī)律明顯，是區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性最好的煤層。本次對于巷道松動圈的測定采用的是鉆孔窺視法和超聲波探測法相結(jié)合的方式。巷道松動圈測試地點選擇在建新煤礦4207回采工作面的回風(fēng)巷中進行，分別測試距離工作面20 m、60 m、100 m處的巷道松動圈情況。

圖1 巷道圍巖塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布Fig.1 Plastic deformation zone and stress distribution of roadway surrounding rock

2.2 鉆孔窺視法測定巷道松動圈

2.2.1 鉆孔成像儀介紹

窺視法采用的儀器由武漢長盛煤安科技有限公司研制，型號為CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀。該成像儀體積較小，工作參數(shù)較為優(yōu)秀，功能豐富，可實現(xiàn)全景攝像、成像，圖像高保真，探頭內(nèi)置高精三維羅盤，可以測量任意方位傾角的鉆孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀角度，實現(xiàn)視頻錄像、拼圖成像、鉆孔軌跡測量等多功能為一體，工作性能穩(wěn)定。

2.2.2 鉆孔窺視探測原理

鉆孔窺視是通過窺視的方式客觀分析圍巖的破壞程度，從而判定松動圈的范圍。而應(yīng)用到的設(shè)備—鉆孔窺視儀主要由2個傳感器進行數(shù)據(jù)采集：探頭、深度傳感器，探頭借助其自帶的LED補光二極管發(fā)出的光對孔內(nèi)情景進行拍攝，而深度記錄器可以記錄探頭的深度。鉆孔窺視儀的主機接收深度傳感器傳來的深度脈沖信號和探頭傳來的視頻信號，計算探頭所在的深度位置，之后儀器將鉆孔內(nèi)實際情況進行實時視頻錄制和成圖。鉆孔窺視探測巷道松動圈就是利用鉆孔探測孔周圍裂隙分布程度，確定巷道松動圈的范圍，該方法直觀、準確。

2.2.3 鉆孔窺視探測方法

布孔位置：鉆孔布置如圖2所示，在4207回采工作面回風(fēng)巷距離工作面20 m、60 m、100 m處，每處施工2個鉆孔。分別布置在巷道左右兩幫，孔深9 m，直徑45 mm。

圖2 鉆孔窺視儀測定巷道松動圈鉆孔布置Fig.2 Borehole layout for measuring roadway loose circle with borehole peeper

布孔參數(shù)：具體的鉆孔仰角、方位角、孔徑等參數(shù)可見表1。

表1 鉆孔窺視法布孔參數(shù)

鉆孔施工：鉆孔過程中應(yīng)該保持力度適中、角度正確，避免臺階孔的出現(xiàn)。此外，在打孔的過程中利用水流將灰塵清理出，避免誤差出現(xiàn)。

設(shè)備連接：CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀主要由主機、電纜繞線架、光學(xué)探頭3部分組成，3部分之間通過電纜連接。整套設(shè)備連接過程為連接探頭→安裝滑輪→連接主機。

進行測量：將鉆孔窺視儀主機打開，打開窺視儀前部LED燈，亮度調(diào)至最合適。順著鉆孔探測裂隙情況，記錄深度，邊進邊截取鉆孔周圍圖片。

2.3 超聲波法測定巷道松動圈

2.3.1 超聲波探測原理

超聲波探測巷道松動圈技術(shù)普適性強、穩(wěn)定性較好。其原理是根據(jù)超聲波在不同巖體介質(zhì)中傳播波速不同。開采之后的圍巖應(yīng)力越大，說明巖體越致密，空隙較少，而固體媒介的傳播聲音速度快于空氣，所以，聲波在巖體中的傳播速度就越快；反之亦然。因此，通過聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同的特性(即超聲波在圍巖中的傳播速度隨著巖石密度增加而增加，空隙越小，波速越快；空隙越大，波速越慢)，可以探測不同深度的圍巖結(jié)構(gòu)分布。通過測試超聲波在巷道圍巖一定深度范圍內(nèi)傳播速度的變化，就可以判斷圍巖的松動范圍[15]。

2.3.2 超聲波探測方法

測定地點：本次測定地點位于建新煤礦的4207回采工作面的回風(fēng)巷，使用儀器為超聲波探測儀。

合理鉆孔：本次測試共布置3個測站，在巷道煤壁側(cè)施工2個平行鉆孔，共計6個孔。分別在4207回采工作面回風(fēng)巷距離工作面20 m、60 m、100 m處，每處在煤壁側(cè)施工2個鉆孔，如圖3所示。鉆孔直徑為50 mm，鉆孔深度為5 m，鉆孔方向為向下與水平方向夾角為5°，方便水流的進入和煤體與水的耦合。兩平行孔間距1 m，共計鉆進工程量為30 m。

圖3 超聲波測試孔俯視圖Fig.3 Drilling layout for ultrasonic method

清理鉆孔：由于煤粉并不能被鉆機完全帶出，為了不影響測試，需要將鉆孔內(nèi)的煤粉和巖灰清出。將探頭與充水管送入孔底部，將鉆孔充水進行本次試驗。

進行測試：鉆孔內(nèi)保持滿水狀態(tài)，這是為了使探頭與巖體進行耦合[16]。每當探頭被拉出鉆孔10 cm進行一次探測，直到換能器完全脫離鉆孔。煤體的波速可通過式(1)進行運算

Vs=L/t

(1)

式中，Vs為聲波在煤體中傳播速度，m/s；L為探頭接收傳感器之間的距離，m；t為探頭接收聲波的時間，s。根據(jù)式(1)，可得到各個測孔介質(zhì)波速與孔深的變化關(guān)系曲線。

3 巷道松動圈測試結(jié)果

3.1 鉆孔窺視法測量結(jié)果

鉆孔窺視試驗共進行了6次觀測，分別位于距離4207回采工作面20 m、60 m、100 m的煤壁側(cè)與煤柱側(cè)，具體的測試結(jié)果如圖4～8所示。

3.1.1 距回采工作面20 m處巷道松動圈

距離4207回采工作面20 m處煤壁側(cè)由于煤體應(yīng)力極大，前后施工2次，鉆孔窺視儀推進1 m左右均出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，無法測試。從圖4可以看出，距離4207回采工作面20 m處煤柱側(cè)，0～0.9 m范圍的孔壁煤體破碎嚴重，煤壁松散，鉆孔有變形。1.3～4.83 m內(nèi)，煤壁裂隙發(fā)育豐富，但孔型較為完整。從4.83 m以后，孔壁相對完整。因此，4207回采工作面20 m處巷道松動圈在4.83 m以內(nèi)。

圖4 距4207回采工作面20 m處煤柱側(cè)鉆孔窺視Fig.4 Borehole peeping at the coal pillar side 20 m away from 4207 mining face

3.1.2 距回采工作面60 m處巷道松動圈

煤壁側(cè)：從圖5可以看出，距離4207回采工作面60 m處煤壁側(cè)，0～0.86 m范圍的孔壁煤體破碎嚴重，煤壁松散；0.86～4.66 m內(nèi)，煤壁裂隙發(fā)育豐富，但孔壁較為完整；從4.66 m以后，孔壁相對完整。因此，4207回采工作面60 m巷道松動圈在4.66 m以內(nèi)。

圖5 距4207回采工作面60 m處煤壁側(cè)鉆孔窺視Fig.5 Borehole peeping at the coal wall side 60 m away from 4207 mining face

煤柱側(cè)：從圖6可以看出，距離4207回采工作面60 m處煤柱側(cè)，0～2.35 m范圍的孔壁煤體破碎嚴重，煤壁松散；2.35～4.61 m內(nèi)，煤壁裂隙發(fā)育豐富，但孔型較為完整；從4.61 m以后，孔壁相對完整。因此，4207回采工作面60 m巷道松動圈在4.61 m以內(nèi)。

圖6 距4207回采工作面60 m處煤柱側(cè)鉆孔窺視Fig.6 Borehole peeping at the coal pillar side 60 m away from 4207 mining face

3.1.3 距回采工作面100 m處巷道松動圈

煤壁側(cè)：從圖7可以看出，距離4207回采工作面100 m處煤壁側(cè)，0～1.48 m范圍的孔壁煤體破碎嚴重，煤壁松散；1.48～4.42 m內(nèi)，煤壁裂隙發(fā)育豐富，但孔型較為完整；從4.42 m以后，孔壁相對完整。因此，4207回采工作面100 m巷道松動圈在4.42 m以內(nèi)。

圖7 距4207回采工作面100 m處煤壁側(cè)鉆孔窺視Fig.7 Borehole peeping at the coal wall side 100 m away from 4207 mining face

煤柱側(cè)：從圖8可以看出，距離4207回采工作面100 mm處煤柱側(cè)，0～0.66 m范圍的孔壁煤體破碎嚴重，煤壁松散；1.25～4.38 m內(nèi)，煤壁裂隙發(fā)育豐富，但孔型較為完整，在2.04 m、2.21 m處均有寬約1 cm左右的剪切裂縫；從4.38 m以后，孔壁相對完整。因此，4207回采工作面100 m巷道松動圈在4.38 m以內(nèi)。

圖8 距4207回采工作面100 m處煤柱側(cè)鉆孔窺視Fig.8 Borehole peeping at the coal pillar side 100 m away from 4207 mining face

3.1.4 結(jié)果匯總

綜上所述，采用鉆孔窺視法對4207回采工作面后20 m、60 m、100 m處巷道松動圈進行測試，匯總結(jié)果見表2。

表2 鉆孔窺視法巷道松動圈測試結(jié)果

3.2 超聲波探測法測量結(jié)果

超聲探測試驗針對4207回采工作面后20 m、60 m、100 m煤壁側(cè)共進行了3次測定，孔深5 m，探頭每向孔外拉出0.1 m測試一次，每個鉆孔共計50個數(shù)據(jù)，各鉆孔數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖9～11所示。

3.2.1 距回采工作面20 m處巷道松動圈

由圖9可知，4207回采巷工作面20 m后煤柱幫的鉆孔內(nèi)，在0～0.5 m范圍內(nèi)由于煤壁巖層破碎嚴重，無法探測；在0.5～4.7 m內(nèi)，此時測得波速主要在700～800 m/s，為圍巖破碎區(qū)；在4.7～4.8 m圍巖范圍，波速上升至1 000 m/s以上，此處圍巖較為穩(wěn)定；在4.9 m以后圍巖范圍，波速升高至1 200 m/s以上。根據(jù)上述波速變化結(jié)果，4207回風(fēng)巷距離工作面20 m處煤壁幫松動圈范圍在4.9 m以內(nèi)。

3.2.2 距回采工作面60 m處巷道松動圈

由圖10可知，4207回采工作面60 m處煤壁幫波速在0～0.7 m煤壁范圍內(nèi)變化劇烈，此處煤壁破碎程度高；在0.8～4.1 m內(nèi)，此時波速較為穩(wěn)定，此處為圍巖破碎區(qū)；在4.2～4.4 m內(nèi)，波速浮動范圍較大；在4.5 m以后圍巖范圍內(nèi)，波速升高至1 245 m/s以上。因此，4207回風(fēng)巷距離工作面60 m處煤壁幫松動圈范圍在4.5 m以內(nèi)。

圖10 4207回風(fēng)巷距離工作面60 m處煤壁幫波速Fig.10 Wave velocity at coal wall side of 4207 return air roadway 60 m away from working face

3.2.3 距回采工作面100 m處巷道松動圈

由圖11可知，4207回風(fēng)巷距離工作面100 m處煤壁幫的鉆孔在0～0.6 m煤壁范圍內(nèi)，測定波速變化劇烈，此范圍內(nèi)煤壁破碎程度相對較高且相當不穩(wěn)定。在0.7～4.5 m煤壁范圍內(nèi)，此時波速較為穩(wěn)定，此處為圍巖破碎區(qū)；在4.5 m以后圍巖范圍內(nèi)，波速升高至1 200 m/s以上，并相對穩(wěn)定。因此，4207回風(fēng)巷距離工作面100 m處煤壁幫松動圈范圍在4.5 m以內(nèi)。

圖11 4207回風(fēng)巷距離工作面100 m處煤壁幫波速Fig.11 Wave velocity at coal wall side of 4207 return air roadway 100 m away from working face

3.2.4 結(jié)果匯總

依據(jù)超聲波探測法測定數(shù)據(jù)，4207回風(fēng)巷距離工作面20～100 m內(nèi)，巷道松動圈數(shù)據(jù)匯總見表3。通過對建新煤礦4207回采工作面用鉆孔窺視法、超聲波探測法進行巷道松動圈測試，鉆孔窺視法測定巷道松動圈最大范圍為4.83 m；超聲波探測法測定巷道松動圈最大范圍為4.9 m。而瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超出煤巷幫的松動圈范圍，考慮到鉆孔封孔本身密封性問題，同時結(jié)合“預(yù)抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴密，穿層鉆孔的封孔段長度不得小于5 m，順層鉆孔的封孔段長度不得小于8 m”之規(guī)定，建新煤礦最低封孔深度不少于8 m，該封孔距離遠超過巷道松動圈范圍，可以確保瓦斯抽采鉆孔封孔密實，確保瓦斯抽采效果。

表3 4207回風(fēng)巷道松動圈測試結(jié)果

3.3 結(jié)果討論

通過采用鉆孔窺視法和超聲波探測法測定建新煤礦4207采煤工作面回順巷道松動圈范圍，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔窺視法測得距離工作面20 m、60 m、100 m處煤柱側(cè)松動圈范圍4.83 m、4.61 m、4.38 m。距離工作面越近，松動圈范圍越大；反之亦然。并且，試驗結(jié)果說明煤壁側(cè)松動圈范圍比煤柱側(cè)略大。超聲波探測法得到距離工作面20 m、60 m、100 m處煤柱側(cè)松動圈范圍松動圈范圍4.9 m、4.5 m、4.5 m。距離工作面越近，松動圈范圍越大，這與鉆孔窺視法結(jié)論一致。通過對試驗得到的數(shù)據(jù)進行擬合、分析，如圖12所示。結(jié)果表明，煤壁側(cè)、煤柱側(cè)的線性擬合度分別是99.97%、98.01%，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以認為巷道松動圈大小與回采工作面之間的距離成一定的反比例關(guān)系，距離越近，松動圈范圍越大；反之亦然。

圖12 松動圈擬合分析Fig.12 Fitting analysis of loose circle

4 結(jié)論

(1)對建新煤礦4207回順采用鉆孔窺視法、超聲波探測法進行巷道松動圈測試，鉆孔窺視法測定巷道松動圈最大范圍為4.83 m；超聲波探測法測定巷道松動圈最大范圍為4.9 m。

(2)采用鉆孔窺視法、超聲波探測法對建新煤礦4207回順巷道松動圈進行了探測，距離回采工作面越近，巷道松動圈越大。

(3)瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超出煤巷幫的松動圈范圍，考慮到鉆孔封孔本身密封性問題，同時結(jié)合“預(yù)抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴密，穿層鉆孔的封孔段長度不得小于5 m，順層鉆孔的封孔段長度不得小于8 m”的規(guī)定，建新煤礦最低封孔深度不得小于8 m。