泥巖頂底板巷道松動圈范圍的確定

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

（遼寧石油化工大學礦業工程學院，撫順113001）

0 引言

近幾年不斷發展完善的巷道圍巖松動圈理論已經成為巷道支護和維修的主要依據。圍巖松動是應力對圍巖作用的結果，是在巷道周圍一定范圍內形成的圍巖裂隙帶。松動圈的大小與井巷的穩定性和支護的難易程度密切相關，松動圈越大，圍巖穩定性就越差，支護也越困難，從圍巖松動范圍合理地選擇錨噴支護結構，在保持圍巖完整性的前提下，對于簡化支護的結構、節約支護材料、減少支護費用、充分發揮巖體的自身支承作用有著重要的意義。

1 測試地點概況

本次研究選取霍州煤電集團辛置礦310軌道巷為測試巷道，此巷道位于310水平，巷道頂底板均為泥頁巖，巖層松軟，破碎。在巷道中選取收縮變形較嚴重的臨近水倉20處地段進行。巷道中每隔20米測試一組斷面，共測試6個斷面，每個斷面測試3個孔，如圖1、2所示。最終分別得出松動圈隨時間變化曲線和松動圈隨距離變化曲線。

圖1 測試斷面位置圖

圖2 鉆孔布置圖

2 松動圈測試原理

未受巷道掘進和開采影響的煤體或巖體其物理性質具有連續性，煤巖體密實均勻，特別是較堅硬的煤體和巖體，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發生改變。最為明顯的改變是在煤巖體中掘進巷道以后，煤巖體內部的應力發生變化，形成卸壓區、集中應力區和原巖應力區。一般從巷道壁向煤巖層內部2～4m為卸壓區，此區域內煤巖體松散，孔隙率增加，失去了原有的支撐作用，習慣上把這一區域成為松動圈。

目前，松動圈探測系統根據其工作原理不同可分為地震折射層析法、高密度電阻率法、地質雷達法、多點位移計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，對于不具備相關技術和經驗的煤礦企業來說實現很困難，不易采用。而多點位移計量測法需要預埋大量測點，測點本身也會影響煤巖體的物理力學參數，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圈測試技術中最常用的方法，使用超聲波作為載體，通過專用的儀器測量聲波在巖體內傳播的速度。對于性質完全相同的煤巖體，聲波在密實的煤巖體和松散破碎的煤巖體中傳輸的速度不同。也就是對于相同長度的探測鉆孔，聲波發射和返回的時間不同。通過測試設備讀數，找到聲波傳輸的時間突變點，這一時間突變點對應破碎煤巖體的深度，從而確定松動煤巖體的范圍，也就是松動圈的范圍，以此研究煤巖體的物理力學性質及應力狀態。

松動圈內煤巖體由于采動的影響產生了裂隙，超聲波在其中的傳輸速度相對于深部未受采動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“時間（t）—孔深（l）曲線”，如圖3所示，判定圍巖松動圈范圍。

具體到本次使用的西安中沃測控技術有限公司開發的超聲波圍巖裂隙探測儀而言，發射換能器F在鉆孔中發射超聲波，超聲波在鉆孔中傳播。在發射換能器F發射超聲波的同時觸發計時器計時，當接收換能器I收到超聲波信息后停止計時，得出聲波在F-I之間的傳播時間，由此計算出波速：V=L/s×103m/s。

圖3 超聲波測孔曲線

式中，L-為發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間，單位us。

3 松動圈測試步驟

測試采用普通的鑿巖鉆機鉆探測孔，預計松動圈的范圍不會超過4m，所以選用4米長度的鉆桿。對于辛置礦310軌道巷而言，由于巷道兩側受到的采動影響不同，只有一側受到采動影響，觀察發現左右幫破壞程度不同，巷道幫兩側移近量區別較大，可以判斷兩幫的松動圈范圍不等。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°。由于巷道頂底板均為泥質頁巖，容易塌孔，鉆孔直徑要大于實際需要20mm，并在近段時間內成孔，并及時注水探測。如果發生塌孔或者孔徑變小等情況，要及時擴孔，保證探測數據的正確性。

具體測試步驟如下：①用鑿巖機或探水鉆機打孔；②清理鉆孔，清掃鉆孔中殘留的煤巖粉碴；③將探頭發射換能器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啟動計時器，每次將探頭向外抽動10cm，讀數計時；⑥當探測設備完全抽出鉆孔后，整理計時數據，繪制聲-時變化曲線。

4 測試數據及結果

通過測試辛置煤礦310軌道巷兩幫圍巖的松動圈大小，獲取巷道的礦壓信息，研究巷道穩定性、變形破壞機理和礦壓顯現規律，為合理確定煤幫錨桿支護的參數和注漿加固圍巖參數提供依據。

由于松動圈內巖石破碎，超聲波通過松動圈時比完整巖石所需聲時較長，從曲線的聲時突變點可以得出松動圈的大小。

通過對辛置煤礦310軌道巷測點數據進行篩選分析處理，繪出聲時隨孔深的變化關系曲線。310軌道巷左幫關系曲線如圖4、5所示?？梢钥闯?，2個測點測得的310軌道巷左幫的松動圈大小分別約為2.8m、3.4m。

圖4 左幫測點1的聲時變化曲線（2.8m）

左幫測點1、測點2獲得的部分波形圖如圖6、圖7所示。

圖6 左幫測點1的部分波形圖

圖7 左幫測點2的部分波形圖

310軌道巷右幫測點1、2聲時變化曲線分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，2個測點測得的310軌道巷右幫的松動圈大小分別約為2.4m、2.0m。

圖8 右幫測點1的聲時變化曲線（2.4m）

圖9 右幫測點2的聲時變化曲線（2.0m）

右幫幫測點1、測點2獲得的部分波形圖如圖10、圖11所示。

圖10 右幫測點1的部分波形圖

通過現場松動圈測試，得出辛置煤礦310軌道巷道松動圈情況統計如表1所示。

由表1可以看出，辛置煤礦310軌道巷，左幫松動圈大小平均為3.1m，最大3.4m；右幫松動圈平均為2.2m，最大2.4m。

圖11 右幫測點2的部分波形圖

表1 辛置煤礦310軌道巷松動圈情況統計表

5 結論

①由于左幫受到開采動壓的影響，圍巖破壞程度遠遠高于右幫。通過現場測試，310軌道巷松動圈范圍左右幫不同，平均值分別為3.1m和2.2m，驗證了這一實際情況。②測試結果說明，當使用錨桿支護巷道時，不能選擇通長度為2.0m的常用錨桿，對圍巖起不到應有的支護作用。左幫應該選擇3.5m，右幫選擇2.5m長的錨桿。根據此計算結果選擇的錨桿長度，在現場取得了良好的支護效果。③如果利用注漿加固圍巖，注漿孔至少3.5m以上，應至少根據3.5擴散半徑選擇注漿參數。

[1]董方庭等.巷道圍巖松動圈支護理論[J].煤炭學報，1994，01.

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

[3]靖洪文等.軟巖巷道圍巖松動圈變形機理及控制技術研究[J].中國礦業大學學報，1999,06.