上榆泉煤礦I031001工作面巷道圍巖松動圈測試與分析

白海軍,張東華,張玉江,鄭 哲

(1. 國家能源投資集團國神集團上榆泉煤礦,山西 河曲 036500;2.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

巷道的圍巖破壞范圍是巷道支護安全需要首先考慮的問題,圍巖破壞范圍的準確測量對支護設計非常重要[1-3]。巷道表面圍巖的破壞產生圍巖松動圈。巷道開挖后煤巖層的原始應力進行重新分布,巷道表面圍巖受力由原來的三向應力逐漸變化為接近兩向應力,巷道圍巖的徑向應力在接近巷道壁的過程中逐漸減小。同時,在巷道周邊的切向應力則會集中。巷道表面的應力集中對受采動影響的巖石產生不利影響,應力集中區逐漸向圍巖深部轉移,進而在應力集中區至巷道邊界區域形成一個塑性區,也就是巷道松動圈范圍。

董方庭等[4-6]于1985年提出圍巖松動圈理論,將圍巖松動圈尺寸作為圍巖分類指標,進而選用不同的支護設計。隨著巖石力學的逐步發展,松動圈范圍的測試不僅應用于巷道支護,也應用于隧道、大壩、建筑物、瓦斯抽放的封孔深度和煤層注水等。綜上所述,準確測定巷道圍巖松動圈在巷道支護和瓦斯抽放、煤層注水及瓦斯壓力測定等的封孔過程中具有重要作用,是圍巖支護中的一個重要工序。圍巖內部的應力狀態很難通過理論準確地計算出來,通過設備進行直接測試是一個重要的輔助手段[7-10]。

1 圍巖松動圈測試原理

測量圍巖松動圈的方法有超聲波速測法、地震測法、電阻率法、孔內攝像法等。在上榆泉煤礦I031001工作面巷道的松動圈測試中,采用煤炭科學研究總院沈陽煤科院生產的CLC1000-C超聲波圍巖裂隙探測儀。其主要構成如圖1所示。

圖1 CLC1000-C超聲波圍巖裂隙探測儀Fig.1 CLC1000-C ultrasonic detector for rock crack in surrounding rock

松動圈測試的原理是超聲波在原生巖石和受到破壞的巖石中的傳播速度不一樣,受力狀態和密實程度不一樣,傳播速度也不同，通過超聲波在不同位置的傳播速度來預測和判斷圍巖的破壞和受力情況。當巖石距離巷道距離較遠,可以認為巖石受到原巖應力,距離較近時,有一個彈塑性分界區,分界區之外可以假定為彈性體,分界區之內假定為彈塑性體。超聲波由聲波儀振蕩器產生的高壓電脈沖信號激發超聲波發射器產生瞬態的振動信號,振動信號在超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播,穿過巖石介質,超聲波接收器把接收到的振動信號再轉變成電信號傳給超聲波儀,經放大處理后,顯示出超聲波穿過巖石的時間、波速等參數,根據超聲波速度確定分析巖石的破壞情況。

根據彈性力學理論,超聲波在介質中的傳播速度與介質的彈性參數密切相關,具體見公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中:vp為巖體的縱波速度,m/s;vs為巖體的橫波速度,m/s;E為巖體的彈性模量,MPa;μ為巖體的泊松比;ρ為巖體的密度,kg/m3。

由公式(1)和公式(2)可知,巖體中超聲波的傳播速度與彈性模量、泊松比、密度相關,這些參數與煤體的破壞程度直接相關,因此,巖體中的超聲波速度變化規律可間接反應出煤體內部的破壞情況,通過在回采巷道的兩幫不同深度處測試超聲波速的變化情況,確定巷道圍巖的松動圈范圍大小。

2 松動圈測點布置

松動圈測試地點布置在上榆泉煤礦的I031001工作面輔運巷,該巷道屬于全煤巷道,開采的10號煤層屬于特厚煤層。選取了3個剖面布置測試點,I號剖面位于距巷道開切口160 m處,II號剖面位于距巷道開切口400 m處,III號剖面位于距巷道開切口612 m處。I、II、III號剖面的松動圈測試點布置如圖2所示,正幫是實體煤幫,副幫是靠近采空區的煤柱幫。

圖2 剖面的松動圈測試點布置圖Fig.2 Layout of measuring points for broken rock zone

圍巖松動圈測試采用單孔測試法,孔深2.4 m,兩幫的孔向下傾斜3°～5°,有傾角方便水留在孔中,頂板的孔垂直向上。測孔鉆成后要及時測試,以防測試孔時間過長引起變形或坍塌。測試前用常壓水沖洗每個測試孔,把測孔中的巖粉或者煤粉清洗干凈,耦合劑是普通水，供應水使用常壓水。測試時將探頭同時送入孔口進行水耦合,然后拉動推桿將探頭向里,每移動10 cm記錄一次超聲波傳播時間,直到孔口為止。

3 測試結果及分析

3.1 I號剖面測試結果

根據I031001工作面回采巷道I號剖面的超聲波傳播時間數據,繪制出各孔超聲波傳播時間-鉆孔深度的關系曲線,如圖3所示。

圖3 I號剖面各孔超聲波傳播時間-鉆孔深度的關系圖Fig.3 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section I

由圖3可知,1#鉆孔在距巷幫孔口1.65 m處時,聲波在煤體中的傳播時間明顯降低,并且穩定在50 μs以下,松動圈在1.65 m以內;2#鉆孔在接近孔口1.35 m處時,聲波傳播時間持續下降,在距孔口1.35～1.50 m趨于穩定,松動圈在1.50 m以內;3#鉆孔在接近孔口1.45 m處時,聲波傳播時間明顯下降,并保持穩定,松動圈在1.45 m以內。

1#和3#鉆孔的淺部松動范圍明顯,這是因為兩幫的安裝應力明顯小于頂板的安裝應力,主要原因是施工機具所致。1#鉆孔的巷道圍巖松動圈范圍最大,且淺部破碎最明顯,主要原因是此處圓鋼錨桿的最大預應力僅僅為40 N·m,不能很好地控制淺部圍巖變形。

3.2 II號剖面測試結果

根據I031001工作面回采巷道II號測點的超聲波傳播時間-鉆孔深度關系測試結果,繪制出各孔超聲波傳播時間-鉆孔深度的關系曲線,如圖4所示。

圖4 II號剖面各孔超聲波傳播時間-鉆孔深度的關系圖Fig.4 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section II

由圖4可知,1#鉆孔在距巷幫孔口1.65 m處時,聲波在煤巖體傳播接收時間明顯降低,松動圈在1.65 m以內;2#鉆孔在距孔口1.25 m處以內,聲波傳播時間一直在波動,之后下降明顯,且基本保持穩定,松動圈在1.25 m以內;3#鉆孔接近孔口0.65 m處時,聲波傳播時間明顯下降,并保持穩定,松動圈在0.65 m以內。

1#孔松動范圍最大,松動程度最大,其主要原因是此處圓鋼錨桿的最大預應力僅僅為40 N·m,不能很好控制淺部圍巖變形。3#鉆孔在150～650 mm范圍內,破碎程度較大。

3.3 III號剖面測試結果

根據I031001工作面回采巷道III號測點圍巖松動圈的超聲波測試數據,繪制出各孔超聲波傳播時間-鉆孔深度的關系曲線,如圖5所示。

圖5 III號剖面各孔超聲波傳播時間-鉆孔深度的關系圖Fig.5 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section III

由圖5可知，1#鉆孔的測試波速分布特點是距巷幫孔口1.65 m以內聲波在煤巖體傳播接收時間比較長,幾乎在50 μs以上,深度在1.65 m以外,聲波在煤體傳播接收時間比較短,大部分小于50 μs,松動圈在1.65 m內;2#鉆孔的測試波速分布特點是距孔口0.80 m以內,煤體的超聲波傳播時間最長,距孔口0.85～1.25 m兩處有裂隙發育,但是整體的波速較大,煤體裂隙發育不明顯,沒有明顯的松動圈界限;3#鉆孔的波速整體偏小,但是該孔的波速變化情況可以基本反映裂隙的主要發育段，波速的分布特點是距孔口1.25 m以內超聲波速度波動較大,該處圍巖整體破碎,1.25 m處已有有明顯下降趨勢,松動圈在1.25 m以內。

4 結論

綜上所述,上榆泉煤礦I031001工作面的巷道圍巖松動圈測試結果如下:

1)在距巷道開口160 m處,副幫一側松動圈范圍在1.65 m以內,正幫一側松動圈范圍在1.45 m以內,頂板松動圈在1.50 m以內。

2)在距巷道開口400 m處,副幫一側松動圈范圍在1.65 m以內,正幫一側松動圈范圍在0.65 m以內,頂板松動圈在1.25 m以內。

3)在距巷道開口612 m處,副幫一側松動圈范圍在1.65 m以內,正幫一側松動圈范圍在1.25 m以內,頂板松動圈在1.25 m范圍以上。

巷道副幫松動范圍最大,且淺部破碎最明顯,其主要原因是采用玻璃鋼錨桿,其最大預應力僅僅為40 N·m,不能很好地控制淺部圍巖變形。頂板的松動范圍基本穩定,這與其施工工具、工藝比較穩定有關。正幫的松動范圍最大1.65 m,最小0.65 m,其原因與地質條件和兩幫施工工具的預應力施加局限有關,目前支護條件下松動范圍最大1.65 m。同時,松動范圍的變化也表明改進兩幫施工條件及工藝參數存在減小松動圈范圍的可能。