通順煤礦02179工作面松動圈卸壓范圍研究

孫純亮，劉爽

（山西省大同煤業集團金莊煤業有限公司，山西大同 137000）

通順煤礦02179工作面松動圈卸壓范圍研究

孫純亮，劉爽

（山西省大同煤業集團金莊煤業有限公司，山西大同 137000）

以通順煤礦02179工作面為工程背景，經過合理的鉆孔布置，采用單孔超聲波測試方法對圍巖松動圈范圍進行了觀測；并對觀測數據進行了分析研究，確定了圍巖松動圈范圍；最后通過現場試驗進一步確定了該條件下的圍巖松動破壞范圍。研究結果表明，單孔超聲波測試方法能夠快速準確地測試巷道圍巖松動圈范圍，具有較好的實用性和優越性。

單孔超聲波圍巖松動范圍現場試驗鉆孔布置

圍巖松動圈支護理論建立在對圍巖結構進行實測的基礎上，可以真實反映出各種地質因素對圍巖結構的影響，是指導錨桿支護參數設計的有效理論依據[1-2]。實踐證明，松動圈的大小與巷道支護方式的選擇密切相關。本文以通順煤礦為工程研究對象，根據圍巖松動圈支護理論和現場測試結果對02179工作面的松動圈進行了分析研究，得出了該工作面松動圈的卸壓范圍。

1 試驗工作面概況

02179工作面開采的煤層為2號煤層（大煤）。工作面標高為-444～-504m。該工作面內煤層煤質較好，硬度中等，煤質為貧煤。煤層厚度在2.63～3.42m之間，平均厚度為3.0m。工作面走向長度為200m，傾斜長度為110m，工業儲量為21.20萬t，按80%的回采率計算，可采儲量為16.96萬t，工作面服務年限為6.1個月。采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤工藝。

2 單孔聲波法確定卸壓區范圍

2.1 試驗原理

巷道開挖后，圍巖受力狀態由三向變成了近似兩向，造成巖石應力較大幅度上升[3]。如果圍巖中集中應力值小于下降后的圍巖強度，圍巖處于彈塑性狀態，圍巖自行穩定；如果相反，圍巖將發生破壞，這種破壞從周邊逐漸向深部擴展，直至達到新的三向應力平衡狀態為止，此時圍巖中出現了一個卸壓區[4-5]。把這個由于應力作用產生的卸壓區稱為圍巖松動圈，見圖1。巷道圍巖松動圈是巷道圍巖應力超過其強度，在以巷道軸線為中心的一個近似圓形范圍內致使巖石裂隙充分發育甚至破壞的區域[4-5]。

單孔聲波法測試松動圈大小的原理大致如下：當超聲波在巖體中傳播時，其傳播速度會在遇到巖體中不同力學性質的不連續面時，隨著能量的突然衰減而降低[6-8]。因此，通過測試超聲波在巷道圍巖內不同區段的傳播速度，根據波速的變化規律就可以判定圍巖的松動圈范圍[9]。單孔聲波測試法是以人工激振的方式向巷道圍巖體中發射聲波，再在一定的距離內上接收該聲波，并同時記錄下從發射到接受所用的時間，通過數據處理即可得到聲波在不同區段內的傳播速度，見圖2。單孔聲波檢測儀是將發、收換能器置于同一鉆孔中，發射換能器F一般采用圓形壓電陶瓷發射聲波脈沖，被換能器S1和S2接收[10]。

換能器F與S1、S2之間距離的確定應以使沿孔壁傳播的波比沿孔中水傳播的波先到達S1和S2為標準。將聲波從F發射到達S1、S2的時間分別記為t1、t2，BC段聲波速度Vp可按以下公式計算：

式中：Vp為巖體聲波速度，m/s；ΔL為S1、S2兩個接收換能器間的距離，m；t1、t2為發射換能器分別到達S1、S2接收換能器的時間，us。當檢測點位于兩個接收換能器之間，且保持檢測點間距等于兩個接收換能器之間的距離時，便可獲得聲波速度在鉆孔不同深度處的曲線，或可根據接收換能器S1傳播到S2的時間的大小，均可判斷圍巖體內松動圈的范圍。

本次試驗采用煤炭科學研究總院沈陽研究院生產的CLC1000-Z型超聲波圍巖裂隙探測儀。探測儀參數：工作電壓6VDC；工作電流≤330mA；探頭段長0.4m；探桿總長6.0m。

2.2 試驗步驟

1）采用42mm鉆頭用風鉆向煤壁內施工鉆孔，開口位置為1.5m，傾角14°，深6.0m；

2）利用壓風將孔內煤渣吹出；

3）將探頭放入孔內并用測桿送至孔底。測桿之間用螺紋連接，旋轉時應握住孔內一側的測桿，旋轉外側的測桿，防止已進入孔內的測桿之間的連接松動；

4）向孔內灌滿水。考慮到裂隙滲水等，可采用連續注水、補充損失的水量；

5）啟動儀器開始讀數，記錄每個測試點超聲波從發射換能器F分別到達接收換能器S1和S2的時間，最后計算出超聲波從換能器S1傳播到S2的時間。然后將探頭向外拉動20 cm，重復上述過程，直至孔口。

2.3 試驗結果分析

在02179工作面回風巷距離開切眼6.0m、12.0m、18.0m、24.0m和30.0m處分別布置測試孔，試驗結果見圖3。

1）由1號孔松動圈試驗結果可知，在距孔底距離超過2.8m范圍內超聲波走時測試曲線起伏較大，此范圍超聲波的走時明顯有增大的趨勢，超聲波從換能器S1傳播至S2的平均走時為137 us，計算求得平均波速為2 819m/s，波速較小說明煤體較破碎，裂隙較發育，在距孔底距離小于2.8m范圍，超聲波從換能器S1傳播至S2的平均走時為127 us，計算得平均波速為3 149m/s，波速較穩定，所以從1號測試孔得出卸壓區的范圍為0～3.2m。

2）由2號孔松動圈試驗結果可知，超聲波距孔底不同距離的走時測試曲線起伏較大，計算得全孔平均波速為3 008m/s，其中在距孔底小于3.2m范圍內的平均波速為3 149m/s，在距孔底超過3.2m范圍內的平均波速為2 898m/s，說明此范圍煤體較破裂，裂隙較發育，所以從2號測試孔得出卸壓區的范圍為0～2.8m。

3）由3號孔松動圈試驗結果可知，在距孔底超過2.4m范圍內，超聲波在不同測試點走時呈增大趨勢，說明此范圍波速較小，裂隙較發育，計算求得平均波速為2 898m/s，在距孔底小于2.4m范圍內，超聲波在不同測試點的走時變化較小，說明此范圍煤體較完整，計算求得平均波速為3 200m/s，所以從3號測試孔得出卸壓區的范圍為0～3.6m。

4）由4號孔松動圈試驗結果可知，在距孔底超過3.6m范圍內，超聲波在不同測試點的走時明顯增加，煤體較破碎，計算求得平均波速為2 797m/s，在距孔底小于3.6m范圍內，超聲波在不同測試點的走時較穩定，煤體較完整，計算求得平均波速為3 076m/s，所以從4號測試孔得出卸壓區的范圍為0～2.4m。

5）由5號孔松動圈試驗結果可知，在距孔底超過3m范圍內，超聲波在不同測試點的走時明顯增加，煤體較破碎，計算求得平均波速為2 895m/s，在距孔底小于3m范圍內，超聲波在不同測試點的走時較穩定，煤體較完整，計算求得平均波速為3 254m/s，所以從5號測試孔得出卸壓區的范圍為0～3m。

3 結論

在理論分析和現場試驗的方法對煤巷開挖引起的兩幫的卸壓區、應力集中區和原始應力區進行了計算和實測，為現場的瓦斯抽采鉆孔的合理位置的確實提供了依據，可得出以下結論：

1）在02179工作面回風巷分別布置了5個下行測試孔，并采用單孔聲波法對卸壓區進行了測試，5個測試孔卸壓區的范圍分別為0～3.2m，0～2.8m，0～3.6m，0～2.4m，0～3m，最大卸壓區深度3.6m。

2）根據確定的卸壓區范圍，現場施工過程中以此作為參照進行鉆孔布置，大大減少了現場實測的勞動量，節省支護成本，并避免了危險性較大的工作。

3）運用超聲波測試技術來確定地下巷道圍巖松動圈的大小，具有快捷、方便的優點，再加上理論分析和計算可以較準確地確定出巷道圍巖松動圈范圍。在通順煤礦應用單孔聲波技術顯示出了較好的實用性和優越性。

[1]楊勝利，王進學，張鵬，等.基于圍巖松動圈理論的錨桿支護技術研究[J].金屬礦山，2010(6):4-47.

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Study on Relief Range of Loosing Zone of No.02179 Working Face in Tongshun Mine

SUN Chunliang,LIU Shuang
(Jinzhuang Coal Co.,Ltd.,Shanxi Datong Coal Mine Group,Datong 137000,China)

Taking No.02179 working face in Tongshun Mine as an engineering background,by reasonable drill-hole arrangement,ultrasonic testing with single hole was used to observe the range of loosing zone of surrounding rock.Then the observation data were analyzed to determine the range.Finally, field test was used to further determine the destruction scale in the condition.The results show that the ultrasonic testing with single hole could rapidly test the loosing zone range of the surrounding rock with ideal practicabilityand superiority.

ultrasonic testing with single hole;range of loosing zone of surrounding rock;field test; drill-hole layout

TD712.6

A

1672-5050（2015）05-0067-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.022

（編輯：劉新光）

2015-07-17

孫純亮（1987-），男，黑龍江綏化人，大學本科，從事礦井設計及軟巖支護方面的研究。