地震波法在豫新煤業(yè)圍巖松動(dòng)圈深度探測中的應(yīng)用

摘" 要：為精確測量圍巖松動(dòng)圈范圍，并合理設(shè)計(jì)煤礦井下巷道支護(hù)方式。采用地震波法對(duì)巷道松動(dòng)圈進(jìn)行測試，利用地震波波速在不同應(yīng)力狀態(tài)、不同巖石性質(zhì)下的波速差異，確認(rèn)巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍，本次在豫新煤業(yè)中采用YWZ11型地震儀進(jìn)行測試，結(jié)果表明該礦在巷道開挖后，所測試的巷道的圍巖松動(dòng)圈范圍在1.3～2.2 m之間。說明通過地震波法可以精確測量圍巖松動(dòng)圈，相比于其他測量方法，可以對(duì)巷道圍巖情況進(jìn)行快速精確測量，該方法為巷道的安全支護(hù)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：地震波法；圍巖松動(dòng)圈；巷道支護(hù)；波速差異；圍巖應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TD322.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0189-05

Abstract： In order to accurately measure the range of loose zone of surrounding rock and reasonably design the support mode of underground roadway in coal mine. The loose zone of roadway is tested by seismic wave method， and the range of loose zone of surrounding rock of roadway is confirmed by using the difference of wave velocity of seismic wave velocity under different stress states and different rock properties. YWZ11 seismograph is used in Yuxin coal industry this time. The results show that after roadway excavation， the range of surrounding rock loose zone of the tested roadway is between 1.3 m and 2.2 m. It shows that the surrounding rock loose zone can be measured accurately by seismic wave method， and compared with other measurement methods， the surrounding rock condition of roadway can be measured quickly and accurately. This method provides theoretical support for roadway safety support.

Keywords： seismic wave method; surrounding rock loose zone; roadway support; wave velocity difference; surrounding rock stress

圍巖松動(dòng)圈是選擇巷道支護(hù)方案和圍巖穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。當(dāng)井下巷道進(jìn)行開挖后，巖體的應(yīng)力狀態(tài)從原先的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)或者單向應(yīng)力狀態(tài)[1]。從應(yīng)力狀態(tài)來說二向應(yīng)力和單向應(yīng)力狀態(tài)的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于三向應(yīng)力狀態(tài)，這就導(dǎo)致圍巖部分位置的應(yīng)力升高或降低，使得該位置出現(xiàn)彈塑性變形或者破壞[2]。對(duì)破壞區(qū)進(jìn)行支護(hù)，使得應(yīng)力達(dá)到新的平衡，此時(shí)在巷道圍巖一定范圍內(nèi)形成的松散破碎帶，即松動(dòng)圈。準(zhǔn)確確定巷道圍巖松動(dòng)圈可以確定巷道的支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，松動(dòng)圈支護(hù)理論認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的載荷來自于巷道圍巖松動(dòng)圈所施加的碎脹力，這樣根據(jù)松動(dòng)圈的深度可以設(shè)計(jì)錨桿長度等支護(hù)參數(shù)[3]。通過確定巷道圍巖松動(dòng)圈對(duì)于降低支護(hù)成本、保障礦山安全具有重要意義。目前，對(duì)礦井松動(dòng)圈采取的主要地球物理方法有聲波法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、鉆孔攝像法和電阻率法等[4-7]。由于聲波測試能量有限，且存在聲波探頭與巖壁的耦合問題，對(duì)現(xiàn)場施工的要求較高[8-9]；多點(diǎn)位移計(jì)法測試數(shù)據(jù)可靠，但測試的時(shí)間長，無法快速識(shí)別；電阻率法的優(yōu)勢是可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，并且相比于電磁法，不受井下復(fù)雜磁場信號(hào)干擾，但其對(duì)電極布置有較高的要求，且對(duì)探測儀器精度有更高的要求[10]。所以一般采用地質(zhì)雷達(dá)法和地震波的方法進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈的測定。

本文采取地震波法對(duì)大黃山豫新煤業(yè)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行探測，基于探測結(jié)果分析巷道松動(dòng)圈分布，為礦山巷道支護(hù)參考借鑒。

1" 地震波法探測圍巖松動(dòng)圈原理

地震波傳播的速度受多因素影響，對(duì)井下情況來說，不同性質(zhì)的巖石，具有不同的傳播速度；對(duì)同一巖層的巖石，受巖石孔隙度、密度，受壓強(qiáng)度等差異，巖石的波速也會(huì)產(chǎn)生差異。對(duì)圍巖松動(dòng)圈范圍內(nèi)的巖石速度差異，由于開挖后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行重新分布，根據(jù)圍巖的性質(zhì)，將會(huì)發(fā)生不同的速度變化，如圖1所示的4種類型為巷道開挖后巖體的地震波速隨深度的變化。

1）如圖1（a）所示，巷道附近波速較低，隨著深度增加波速增加并出現(xiàn)高速區(qū)，之后逐漸接近巖體波速；從應(yīng)力狀態(tài)看，表示為巷道圍巖淺層巖體松動(dòng)，之后為應(yīng)力集中區(qū)，最后恢復(fù)為原始應(yīng)力狀態(tài)。

2）如圖1（b）所示，巷道附近波速最高，隨著深度增加速度逐漸降低，最后逐漸接近原始巖體波速；從應(yīng)力狀態(tài)看，表示巖體堅(jiān)硬完整，未出現(xiàn)松動(dòng)圈，靠近圍巖處即為應(yīng)力集中區(qū)。

3）如圖1（c）所示，圍巖從巷道到內(nèi)波速未出現(xiàn)明顯變化；從應(yīng)力狀態(tài)來看，巷道圍巖應(yīng)力未出現(xiàn)明顯變化，無松動(dòng)區(qū)。

4）如圖1（d）所示，巷道附近的速度低于原始波速，隨著深度增加，波速增加，最終穩(wěn)定于原始巖體波速；從應(yīng)力狀態(tài)看，巷道附近圍巖出現(xiàn)松動(dòng)，且范圍較大，之后應(yīng)力逐漸恢復(fù)為原始應(yīng)力狀態(tài)，但未出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。

地震波圍巖松動(dòng)圈測量方法如圖2所示，對(duì)所探測的巷道選取具有代表性的巷道斷面，一般對(duì)巷道斷面的頂板、側(cè)幫位置選取5個(gè)測量點(diǎn)，對(duì)測量點(diǎn)通過風(fēng)鉆進(jìn)行打孔，鉆孔深度要到達(dá)原巖范圍內(nèi)，測量時(shí)，在距離洞口X處進(jìn)行震源激發(fā)，震源一般為銅錘或震源槍，接收裝置放置在鉆孔中，通過改變接收裝置的位置H，接收地震波數(shù)據(jù)，接收裝置一般為加速度檢波器，接收數(shù)據(jù)時(shí)需將檢波器緊貼內(nèi)壁，減少震源能量損失。通過獲取地震縱波到時(shí)來判讀確定各層波速值。此方法基于地震波波速測試原理，依據(jù)層速度，結(jié)合巖石性質(zhì)變化，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)松動(dòng)圈范圍。通常激發(fā)點(diǎn)與孔口距離x近于0，結(jié)合縱波傳播時(shí)間t，和傳播路程H，可得此段平均波速V_m為V_m=H/t。根據(jù)全孔的觀測資料，可得到t-V及H-t曲線圖即垂直時(shí)距曲線圖，可得出不同直線斜率即各帶速度，由波速的變化情況即可圈定松動(dòng)圈范圍。

2" 豫新煤業(yè)圍巖松動(dòng)圈探測

2.1" 地質(zhì)概況

大黃山豫新煤礦位于新疆阜康市大黃山，此次3個(gè)巷道情況為：+676和+730中大頂分層回采工作面煤層由東向西逐步變大，煤層厚度一般為22～26 m，平均厚度約24 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)理發(fā)育。+676八尺巷煤層厚度為2.5～7.9 m，平均厚度約4.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為穩(wěn)定煤層。八尺巷煤層的頂板多為細(xì)砂巖、中粗砂巖。主要成分為石英、長石碎屑、泥質(zhì)膠結(jié)和富含植物碎屑。煤層底板為粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖。

2.2" 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次在+676、+730和+676八尺巷測試2個(gè)斷面，共探測6個(gè)斷面，在每個(gè)斷面的頂部、上角點(diǎn)及巷幫呈對(duì)稱狀布置7個(gè)測孔，與水平線夾角分別為0°、25°、50°、90°、50°、25°、0°（如圖3中①—⑦）。測孔孔徑為Φ42 mm，孔深以穿過預(yù)計(jì)松動(dòng)范圍之外0.5 m為宜，本次探測孔深均在5 m左右。施工布置如圖3所示。單個(gè)斷面測孔參數(shù)見表1。

2.3" 數(shù)據(jù)采集

探測所用設(shè)備為YWZ11礦用網(wǎng)絡(luò)地震儀配以MEMS加速度傳感器，本儀器具有采樣頻率高，可滿足超淺層地震信號(hào)采集，所配備的MEMS傳感器，具有對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，本設(shè)備探測精度高，可以有效獲取地震波長弱信號(hào)，淺層精細(xì)探測能力尤為特出，可精準(zhǔn)探測此次的圍巖松動(dòng)圈范圍。

巷道圍巖測試時(shí)將傳感器固定在推送導(dǎo)桿上，送進(jìn)孔內(nèi)且與巖層接觸耦合。在孔口邊緣附近一固定點(diǎn)采用小錘激發(fā)，傳感器由孔口向孔底移動(dòng)接收激發(fā)信號(hào)，步距0.2 m?，F(xiàn)場探測地震儀器工作參數(shù)設(shè)置如下。

通道數(shù)：1道。

采樣間隔：20～50 us。

采樣頻帶：1～2 000 Hz帶通。

固定增益：54～80 dB。

采樣長度：4 096點(diǎn)。

超前采樣：128點(diǎn)。

2.4" 結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對(duì)其進(jìn)行地震道集抽取、零漂校正、頻譜分析與濾波、初至拾取和波速解析等處理，得到各斷面不同段的層速度表格和松動(dòng)圈范圍解析圖。

由表2和圖4可知，巷道左幫和右?guī)偷膰鷰r松動(dòng)圈范圍幾乎一樣，松動(dòng)圈范圍在1.4～1.6 m之間，頂板處的圍巖松動(dòng)圈相較于兩側(cè)范圍偏大，為2.0～2.2 m。對(duì)于+676中大頂板巷，整體的圍巖松動(dòng)圈范圍為1.4～2.2 m。

由表3和圖5可知，巷道左幫和右?guī)偷膰鷰r松動(dòng)圈范圍在1.4～1.5 m之間，頂板處的圍巖松動(dòng)圈相范圍在2.0～2.2 m之間。對(duì)于+730中大頂板巷，325 m處和650 m處的圍巖松動(dòng)圈范圍差別不大，其中對(duì)于左右?guī)蛠砜矗?25 m處的松動(dòng)圈范圍小于650 m處，整體的巷道圍巖松動(dòng)圈范圍為1.4～2.2 m。

由表4和圖6可知，巷道左幫和右?guī)偷姆秶?.3～1.5 m之間，頂板處的圍巖松動(dòng)圈相較于兩側(cè)范圍偏大，為1.8～2.0 m。對(duì)于+676八尺巷，整體的圍巖松動(dòng)圈范圍為1.3～2.0 m。

根據(jù)地震波測試，本次的3個(gè)巷道在開挖后，整體的巷道左右?guī)蛧鷰r松動(dòng)圈在1.5 m左右，頂板的圍巖松動(dòng)圈在2.0 m左右，3個(gè)巷道的圍巖松動(dòng)圈范圍相差不大。通過對(duì)本礦3個(gè)不同的巷道進(jìn)行的圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測試，可以針對(duì)巷道的不同方向，進(jìn)行針對(duì)性的錨桿或者錨索加固，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3" 結(jié)論

通過本次實(shí)際探測，地震波法在豫新煤業(yè)總共探測了6個(gè)斷面，現(xiàn)場探測條件良好，所采數(shù)據(jù)信噪比高，所得結(jié)果與本礦其他巷道的圍巖松動(dòng)圈大小基本一致，說明地震波法是一種有效的探測圍巖松動(dòng)圈手段，為礦井巷道設(shè)計(jì)以及支護(hù)提供了可靠的依據(jù)。在之后探測過程中，在有條件的情況下，可對(duì)所測數(shù)據(jù)的縱波和橫波數(shù)據(jù)到時(shí)進(jìn)行綜合判讀，增加數(shù)據(jù)的利用效率，提高結(jié)果的解析精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董方庭，宋宏偉，郭志宏，等.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994（1）：21-32.

[2] 胡世敬，裴鉆.煤礦巷道層狀圍巖松動(dòng)圈范圍的發(fā)育規(guī)律[J].煤礦安全，2019，50（6）：209-212，218.

[3] 張健，浩清勇.圍巖松動(dòng)圈理論在巷道錨桿支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2002（6）：82-84.

[4] 于占軍，楊玉中，左寶，等.埋深對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈的影響研究[J].煤，2022，31（2）：4-9.

[5] 蔡冠楠，李忠輝，楊玉龍，等.煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈測試方法探討[J].工礦自動(dòng)化，2014，40（1）：38-41.

[6] 楊旭旭，王文慶，靖洪文.圍巖松動(dòng)圈常用測試方法分析與比較[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（8）：1-5，54.

[7] 賈穎絢，宋宏偉.巷道圍巖松動(dòng)圈測試技術(shù)與探討[J].西部探礦工程，2004（10）：148-150.

[8] 成寬亮.基于聲波測試的煤礦深井巷道圍巖松動(dòng)圈影響因素分析[J].能源與節(jié)能，2020（4）：36-37，162.

[9] 張平松，劉盛東，吳榮新，等.峒室圍巖松動(dòng)圈震波探測技術(shù)與應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003（1）：54-56.

[10] 王樺，程樺，榮傳新.基于高密度電阻率法的松動(dòng)圈測試技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（3）：53-57.