煤矿围岩性质研究常用的科学方法

李 飞 刘克安

（中国矿业大学〈北京〉 资源与安全工程学院，中国 北京 100083）

不同地理条件下，煤矿巷道围岩性质差别很大，往往在同一矿井不同采区巷道围岩性质也大不一样。因此，准确掌握围岩性质研究的科学方法至关重要。

目前，关于围岩性质研究主要有实验室测定和现场检测两种手段。本文着重讨论在现场检测所采用的主要科学方法。常用的主要有巷道松动圈测试、岩层深基点位移监测和巷道围岩表面位移监测[1-3]。

1 松动圈测试

1.1 测试目的

回采巷道开挖后，使煤体的原有应力平衡状态得到破坏，巷道围岩应力重新分布，巷道周边一定的范围内会产生应力集中现象。巷道周边一定范围的煤体就会发生变形破坏，此范围的应力会有所降低，应力得到释放，围岩将破碎产生裂隙从而形成松动圈。巷道围岩松动圈的大小是确定支护强度的基础，是确定锚杆支护参数的重要依据，同时，也是对巷道围岩稳定性进行评价的重要依据。

1.2 测试原理

松动圈测试实质上是利用超声波在不同介质中传播速度不同，来预测围岩的破坏情况。测试物体是以弹性体为前提条件的，当煤体的尺寸较小、作用外力较小时，相应变形也较小，可以把煤体视为弹性体。超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器，发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号，该振动信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播，从而携带煤体内部信息到达接收换能器，接收换能器把接收到的振动信号再转变成电信号传给声波仪，经声波仪放大处理后，显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数。

1.3 测试方法及流程

在围岩松动圈测试采用单孔测试法，测孔钻成后及时进行了测试，没有出现测孔变形或坍塌现象，测试前用压力水冲洗每个测孔，把测孔中的煤岩粉冲洗干净；耦合方式采用水耦合。多功能超声波检测分析仪连接探头通电预热后，用推杆将探头放在孔口，然后推动推杆将探头向里每移动10cm 读一次声时，直到孔口底部。

1）钻进测量孔：可用普通煤帮锚杆钻机（煤电钻）施工Φ42mm 钻孔。钻孔打在腰线位置，钻孔应有一定的下扎角，孔深一般不小于4m。

2）清孔与充水：将钻孔内煤粉、钻渣清理干净，通过测试探头配套的可接长铜管将测试探头送入孔底，然后将充水管送入钻孔充水。

3）测试过程：钻孔内充满水后，调整阀门，使钻孔内保持满水状态，然后缓慢均匀的拉动可接长铜杆，拉出探头。随探头拉出，每隔10cm 读数一次。随着钻头在钻孔的位置不同，即距巷帮深度不同，由于煤体应力水平和受到的破坏程度不同，测试仪上的读数随之变化。

2 深基点位移监测

2.1 概况

巷道两帮及顶板内部相对位移是指围岩的内部多点间的位移量，内部位移监测的主要目的是判断围岩的松动范围，以合理选择锚杆支护参数并为煤柱合理留设提供依据。

2.2 测试目的

为了了解顶板岩层组合情况、岩性变化、围岩结构以及岩石的力学性质，研究采场矿压与巷道锚杆、锚索支护方式及支护工艺，更准确的进行顶板级别破裂高度分级和矿山压力研究。

3 巷道围岩表面位移观测

3.1 观测目的

巷道表面相对位移是指巷道开挖一定时间内巷道顶底板和两帮的相对位移量。其目的是弄清巷道表面位移时间的变化规律，从中找出巷道围岩移动与支护参数之间的关系，为进行合理支护设计提供可靠的基础数据，为准确评估支护效果提供量化指标。

3.2 测试方法

采用十字布点法，在两帮和顶低版的中点安设外露端带空的300mm 长短煤杆，在孔中穿入线绳。测量时将顶底和两帮线绳拉紧，利用钢卷尺量4 个参数，分别计算绝对和相对移近量。

4 结论

巷道围岩松动圈的大小是确定支护强度的基础，是确定锚杆支护参数的重要依据；巷道两帮及顶板内部相对位移是指围岩的内部多点间的位移量，内部位移监测的主要目的是判断围岩的松动范围，以合理选择锚杆支护参数并为煤柱合理留设提供依据；巷道围岩表面位移为准确评估支护效果提供量化指标。

通过三种方法测试，基本可以掌握煤矿巷道围岩性质及其变形规律，在多数矿井合理支护参数优化方案的提出过程中，起到了良好的参考作用。

［1］董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报，1994，19(1):21-31.

［2］贾后省，郭书英，王雪颖，等.巷道顶板多点离层监测仪的设计与应用[J].煤炭工程，2012(9):110-113.

［3］何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2803-2813.