王洼礦區(qū)軟巖巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)性能評價

李世成，婁培杰

(1.寧夏王洼煤業(yè)有限公司王洼煤礦，寧夏 固原 756504；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 準(zhǔn)南 232001)

1 礦井概況及工程背景

王洼礦區(qū)井田煤系總體走向為NNW至NW，傾向NEE至NE，西部因在盆地邊緣，由于地層、煤層由東向西超覆沉積，傾角由東向西逐漸變大。

礦區(qū)大部分開拓、準(zhǔn)備及回采巷道內(nèi)煤層頂、底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，該巖性含高嶺土、蒙脫石、伊利石等易崩解膨脹的礦物成份較高，造成巷道斷面變形較嚴(yán)重，部分架棚巷道棚腿與棚梁搭接處出現(xiàn)螺栓崩斷甚至棚腿被壓折的現(xiàn)象，巷道底板底鼓，巷道失修率高、維護周期短、成本高。特別是水倉、變電所等大斷面永久硐室投入使用后返修困難。這些現(xiàn)象都是以泥巖為代表的軟巖的膨脹性和崩解性引起，造成圍巖變形量大、速度快、持續(xù)時間長、四周來壓、底臌明顯，遇水膨脹、變形加劇，普通的剛性支護普遍破壞。鑒于此，開展王洼礦區(qū)軟巖巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)性能評價，提出高應(yīng)力軟巖巷道彈性支護技術(shù)，顯得尤為重要[1]。

2 地應(yīng)力測試原理

現(xiàn)階段國內(nèi)地應(yīng)力測量主要采取四種手段，分別為深孔套芯解除法、深孔水壓致裂法、基于巖芯的差應(yīng)變法和滯彈性恢復(fù)法。其中套芯法測試精度最高，水壓致裂法次之，根據(jù)項目需求綜合比對各種方法的測試結(jié)果，最終確定精度較高的深孔套芯解除法來測試鉆孔的地應(yīng)力狀態(tài)及規(guī)律[2]。

本次工程選取山東科技大學(xué)洛賽爾傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZLGHS型地應(yīng)力傳感器，在巷道變形較大的地方(地應(yīng)力敏感點，原巖應(yīng)力大)埋設(shè)傳感器監(jiān)測巷道圍巖的應(yīng)力。該傳感器外型為炮彈式，在X、Y、Z三個互相垂直方向上，各安裝了1只振弦式測應(yīng)力傳感器，傳感器為壓片直接受力型，靈敏度高、防水設(shè)計好，如圖1所示。3根4芯電纜線將3只傳感器的信號傳出，電纜線接頭與DQ-8多點采集器連接，插入電腦后可實時采集應(yīng)力值，也可將數(shù)據(jù)存儲于GSJ-2A型便攜式數(shù)據(jù)計算存儲器內(nèi)，測試時均帶同步采集時間的功能。

圖1 ZLGHS型地應(yīng)力傳感器

3 地應(yīng)力測試目的及安裝過程

該測試主要為王洼礦區(qū)巷道支護掌握施工質(zhì)量和支護工作狀況，以便對已完成的巷道支護進行性能分析、修改支護參數(shù)提供合理的數(shù)據(jù)支持；掌握詳細的巷道圍巖的壓力狀況，分析圍巖荷載的變化情況，為該圍巖條件下采取針對性的支護技術(shù)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)參考。

1)地點選取。由于地應(yīng)力測量計算是以線彈性理論為基礎(chǔ)的，所以測試段應(yīng)避開裂隙，在巖石較完整的孔段進行選取整體巖性較好區(qū)域的巷道安設(shè)測點；測點巷道內(nèi)供應(yīng)水電方便，打鉆工作時應(yīng)不影響巷道運輸[3]。綜合考慮部分監(jiān)測點位置分布如圖2所示：

圖2 王洼礦區(qū)地應(yīng)力測點平面位置

2)打孔取芯。采用氣動履帶式鉆機進行鉆孔和巖石取樣，理論上埋設(shè)傳感器需要鉆孔直徑Φ85～Φ100 mm，但現(xiàn)場鉆頭直徑為Φ130 mm。配直徑為42 mm/50 mm、長度為1m的接長鉆桿。在巷道監(jiān)測點幫部1m左右向上鉆孔，打孔時傾斜角度一般控制在仰斜3°～5°，這種角度便于排水并易于用水管清洗鉆孔，鉆孔孔深為15m。取出的巖芯及時進行標(biāo)號、密封，處理以后對巖性進行分析。

3)沖洗鉆孔。當(dāng)鉆孔至預(yù)定長度時，抽出鉆桿5 cm，用鉆機的水管對鉆孔進行沖洗，及時清理鉆孔內(nèi)部的巖體碎塊及粉塵，防止在埋設(shè)傳感器時孔內(nèi)有巖石碎屑堵塞鉆孔，為埋設(shè)傳感器及注漿工作做準(zhǔn)備。

4)當(dāng)鉆孔清理完成過后，將傳感器一節(jié)一節(jié)按順序連上護線管子擰緊，線從護線管中間穿過來，對準(zhǔn)X方向的中線，也就是要記準(zhǔn)X、Y方向，管子將傳感器送入孔內(nèi)的一定深處。

5)傳感器的關(guān)鍵是安裝方向，安裝時需要將連接的安裝管子按照設(shè)計方向安裝準(zhǔn)確，安裝管子為1m/節(jié)，依次定位連接安裝管子，保持已經(jīng)安裝的管子方向不變，來確定傳感器X、Y的方向。其中Z方向垂直于巷道圍巖向里，X.、Y平面平行于巷道豎向軸對稱面。

6)安裝管子隨傳感器在孔內(nèi)不隨意轉(zhuǎn)動，保持方向不變。注漿材料為型號為PO42.5普通硅酸鹽水泥、速凝劑，采用水灰比0.6:1，通過QB152型便攜式注漿泵帶動氣動注漿機進行灌漿，注漿后采用泡沫封口膠進行封閉。待漿體凝固后，待24小時后對傳感器進行測頻調(diào)零，以此為零點。注意保護電纜線的插頭不要進水進泥，電纜不要折斷破皮。

4 數(shù)據(jù)的采集及分析

本次數(shù)據(jù)采集儀器采用與振弦式三維地應(yīng)力傳感器同家公司生產(chǎn)的GSJ-2A型智能檢測儀，山東洛塞爾公司生產(chǎn)的GSJ-2A型智能檢測儀具有適應(yīng)性強功能強大的便攜式儀表。采用的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中，A、B為傳感器常數(shù)；f0為初頻(F為零時的頻率)；f為儀表中采集的頻率。

從注漿完畢后地應(yīng)力傳感器調(diào)頻測零完成后，開始進行數(shù)據(jù)采集，剛才開始時每天進行一次巷道圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，待數(shù)據(jù)變化幅度減小時，可以適當(dāng)增大采集數(shù)據(jù)的間隔，直到采集頻率f趨于穩(wěn)定時，本次試驗就可以停止測量。對已有的數(shù)據(jù)進行換算將頻率轉(zhuǎn)化成應(yīng)力，整理并尋找地應(yīng)力變化規(guī)律，對地應(yīng)力變化趨勢進行分析。部分采集數(shù)據(jù)如表1所示。測試結(jié)果見表2。

表1 部分地應(yīng)力傳感器采集的數(shù)據(jù)

表2 王洼礦區(qū)地應(yīng)力值匯總

5 結(jié) 論

1)從三種地應(yīng)力測試結(jié)果分析可知，該地應(yīng)力地區(qū)屬于中低地應(yīng)力區(qū)；三種地應(yīng)力總體表現(xiàn)為隨巷道埋深逐步增大的趨勢；

2)該礦區(qū)內(nèi)的最大水平應(yīng)力小于最大垂直應(yīng)力，其值約為最大水平應(yīng)力的0.5～0.7倍；綜合分析可知，地應(yīng)力對該礦區(qū)開采影響活動的影響相對于圍巖巖性不大，巷道變形受地應(yīng)力的影響相對于圍巖的巖性也不大；

3)通過現(xiàn)場調(diào)研和圍巖地質(zhì)力學(xué)評價結(jié)果，分析圍巖應(yīng)力狀態(tài)，明確王洼礦區(qū)軟巖巷道圍巖變形中地應(yīng)力特征，可以進一步分析造成巷道變形破壞的主要原因和基本破壞型式，并針對性地提出巷道圍巖加固支護原則和對策。

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