王洼矿区软岩巷道围岩地质力学性能评价

李世成，娄培杰

(1.宁夏王洼煤业有限公司王洼煤矿，宁夏 固原 756504；2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 准南 232001)

1 矿井概况及工程背景

王洼矿区井田煤系总体走向为NNW至NW，倾向NEE至NE，西部因在盆地边缘，由于地层、煤层由东向西超覆沉积，倾角由东向西逐渐变大。

矿区大部分开拓、准备及回采巷道内煤层顶、底板以泥岩、砂质泥岩为主，该岩性含高岭土、蒙脱石、伊利石等易崩解膨胀的矿物成份较高，造成巷道断面变形较严重，部分架棚巷道棚腿与棚梁搭接处出现螺栓崩断甚至棚腿被压折的现象，巷道底板底鼓，巷道失修率高、维护周期短、成本高。特别是水仓、变电所等大断面永久硐室投入使用后返修困难。这些现象都是以泥岩为代表的软岩的膨胀性和崩解性引起，造成围岩变形量大、速度快、持续时间长、四周来压、底臌明显，遇水膨胀、变形加剧，普通的刚性支护普遍破坏。鉴于此，开展王洼矿区软岩巷道围岩地质力学性能评价，提出高应力软岩巷道弹性支护技术，显得尤为重要[1]。

2 地应力测试原理

现阶段国内地应力测量主要采取四种手段，分别为深孔套芯解除法、深孔水压致裂法、基于岩芯的差应变法和滞弹性恢复法。其中套芯法测试精度最高，水压致裂法次之，根据项目需求综合比对各种方法的测试结果，最终确定精度较高的深孔套芯解除法来测试钻孔的地应力状态及规律[2]。

本次工程选取山东科技大学洛赛尔传感技术有限公司生产的ZLGHS型地应力传感器，在巷道变形较大的地方(地应力敏感点，原岩应力大)埋设传感器监测巷道围岩的应力。该传感器外型为炮弹式，在X、Y、Z三个互相垂直方向上，各安装了1只振弦式测应力传感器，传感器为压片直接受力型，灵敏度高、防水设计好，如图1所示。3根4芯电缆线将3只传感器的信号传出，电缆线接头与DQ-8多点采集器连接，插入电脑后可实时采集应力值，也可将数据存储于GSJ-2A型便携式数据计算存储器内，测试时均带同步采集时间的功能。

图1 ZLGHS型地应力传感器

3 地应力测试目的及安装过程

该测试主要为王洼矿区巷道支护掌握施工质量和支护工作状况，以便对已完成的巷道支护进行性能分析、修改支护参数提供合理的数据支持；掌握详细的巷道围岩的压力状况，分析围岩荷载的变化情况，为该围岩条件下采取针对性的支护技术提供基础的数据参考。

1)地点选取。由于地应力测量计算是以线弹性理论为基础的，所以测试段应避开裂隙，在岩石较完整的孔段进行选取整体岩性较好区域的巷道安设测点；测点巷道内供应水电方便，打钻工作时应不影响巷道运输[3]。综合考虑部分监测点位置分布如图2所示：

图2 王洼矿区地应力测点平面位置

2)打孔取芯。采用气动履带式钻机进行钻孔和岩石取样，理论上埋设传感器需要钻孔直径Φ85～Φ100 mm，但现场钻头直径为Φ130 mm。配直径为42 mm/50 mm、长度为1m的接长钻杆。在巷道监测点帮部1m左右向上钻孔，打孔时倾斜角度一般控制在仰斜3°～5°，这种角度便于排水并易于用水管清洗钻孔，钻孔孔深为15m。取出的岩芯及时进行标号、密封，处理以后对岩性进行分析。

3)冲洗钻孔。当钻孔至预定长度时，抽出钻杆5 cm，用钻机的水管对钻孔进行冲洗，及时清理钻孔内部的岩体碎块及粉尘，防止在埋设传感器时孔内有岩石碎屑堵塞钻孔，为埋设传感器及注浆工作做准备。

4)当钻孔清理完成过后，将传感器一节一节按顺序连上护线管子拧紧，线从护线管中间穿过来，对准X方向的中线，也就是要记准X、Y方向，管子将传感器送入孔内的一定深处。

5)传感器的关键是安装方向，安装时需要将连接的安装管子按照设计方向安装准确，安装管子为1m/节，依次定位连接安装管子，保持已经安装的管子方向不变，来确定传感器X、Y的方向。其中Z方向垂直于巷道围岩向里，X.、Y平面平行于巷道竖向轴对称面。

6)安装管子随传感器在孔内不随意转动，保持方向不变。注浆材料为型号为PO42.5普通硅酸盐水泥、速凝剂，采用水灰比0.6:1，通过QB152型便携式注浆泵带动气动注浆机进行灌浆，注浆后采用泡沫封口胶进行封闭。待浆体凝固后，待24小时后对传感器进行测频调零，以此为零点。注意保护电缆线的插头不要进水进泥，电缆不要折断破皮。

4 数据的采集及分析

本次数据采集仪器采用与振弦式三维地应力传感器同家公司生产的GSJ-2A型智能检测仪，山东洛塞尔公司生产的GSJ-2A型智能检测仪具有适应性强功能强大的便携式仪表。采用的数学模型：

(1)

式中，A、B为传感器常数；f0为初频(F为零时的频率)；f为仪表中采集的频率。

从注浆完毕后地应力传感器调频测零完成后，开始进行数据采集，刚才开始时每天进行一次巷道围岩应力数据采集，待数据变化幅度减小时，可以适当增大采集数据的间隔，直到采集频率f趋于稳定时，本次试验就可以停止测量。对已有的数据进行换算将频率转化成应力，整理并寻找地应力变化规律，对地应力变化趋势进行分析。部分采集数据如表1所示。测试结果见表2。

表1 部分地应力传感器采集的数据

表2 王洼矿区地应力值汇总

5 结 论

1)从三种地应力测试结果分析可知，该地应力地区属于中低地应力区；三种地应力总体表现为随巷道埋深逐步增大的趋势；

2)该矿区内的最大水平应力小于最大垂直应力，其值约为最大水平应力的0.5～0.7倍；综合分析可知，地应力对该矿区开采影响活动的影响相对于围岩岩性不大，巷道变形受地应力的影响相对于围岩的岩性也不大；

3)通过现场调研和围岩地质力学评价结果，分析围岩应力状态，明确王洼矿区软岩巷道围岩变形中地应力特征，可以进一步分析造成巷道变形破坏的主要原因和基本破坏型式，并针对性地提出巷道围岩加固支护原则和对策。

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