上榆泉煤矿I031001工作面巷道围岩松动圈测试与分析

白海军,张东华,张玉江,郑 哲

(1. 国家能源投资集团国神集团上榆泉煤矿,山西 河曲 036500;2.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

巷道的围岩破坏范围是巷道支护安全需要首先考虑的问题,围岩破坏范围的准确测量对支护设计非常重要[1-3]。巷道表面围岩的破坏产生围岩松动圈。巷道开挖后煤岩层的原始应力进行重新分布,巷道表面围岩受力由原来的三向应力逐渐变化为接近两向应力,巷道围岩的径向应力在接近巷道壁的过程中逐渐减小。同时,在巷道周边的切向应力则会集中。巷道表面的应力集中对受采动影响的岩石产生不利影响,应力集中区逐渐向围岩深部转移,进而在应力集中区至巷道边界区域形成一个塑性区,也就是巷道松动圈范围。

董方庭等[4-6]于1985年提出围岩松动圈理论,将围岩松动圈尺寸作为围岩分类指标,进而选用不同的支护设计。随着岩石力学的逐步发展,松动圈范围的测试不仅应用于巷道支护,也应用于隧道、大坝、建筑物、瓦斯抽放的封孔深度和煤层注水等。综上所述,准确测定巷道围岩松动圈在巷道支护和瓦斯抽放、煤层注水及瓦斯压力测定等的封孔过程中具有重要作用,是围岩支护中的一个重要工序。围岩内部的应力状态很难通过理论准确地计算出来,通过设备进行直接测试是一个重要的辅助手段[7-10]。

1 围岩松动圈测试原理

测量围岩松动圈的方法有超声波速测法、地震测法、电阻率法、孔内摄像法等。在上榆泉煤矿I031001工作面巷道的松动圈测试中,采用煤炭科学研究总院沈阳煤科院生产的CLC1000-C超声波围岩裂隙探测仪。其主要构成如图1所示。

图1 CLC1000-C超声波围岩裂隙探测仪Fig.1 CLC1000-C ultrasonic detector for rock crack in surrounding rock

松动圈测试的原理是超声波在原生岩石和受到破坏的岩石中的传播速度不一样,受力状态和密实程度不一样,传播速度也不同，通过超声波在不同位置的传播速度来预测和判断围岩的破坏和受力情况。当岩石距离巷道距离较远,可以认为岩石受到原岩应力,距离较近时,有一个弹塑性分界区,分界区之外可以假定为弹性体,分界区之内假定为弹塑性体。超声波由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号激发超声波发射器产生瞬态的振动信号,振动信号在超声波发射器和超声波接收器之间传播,穿过岩石介质,超声波接收器把接收到的振动信号再转变成电信号传给超声波仪,经放大处理后,显示出超声波穿过岩石的时间、波速等参数,根据超声波速度确定分析岩石的破坏情况。

根据弹性力学理论,超声波在介质中的传播速度与介质的弹性参数密切相关,具体见公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中:vp为岩体的纵波速度,m/s;vs为岩体的横波速度,m/s;E为岩体的弹性模量,MPa;μ为岩体的泊松比;ρ为岩体的密度,kg/m3。

由公式(1)和公式(2)可知,岩体中超声波的传播速度与弹性模量、泊松比、密度相关,这些参数与煤体的破坏程度直接相关,因此,岩体中的超声波速度变化规律可间接反应出煤体内部的破坏情况,通过在回采巷道的两帮不同深度处测试超声波速的变化情况,确定巷道围岩的松动圈范围大小。

2 松动圈测点布置

松动圈测试地点布置在上榆泉煤矿的I031001工作面辅运巷,该巷道属于全煤巷道,开采的10号煤层属于特厚煤层。选取了3个剖面布置测试点,I号剖面位于距巷道开切口160 m处,II号剖面位于距巷道开切口400 m处,III号剖面位于距巷道开切口612 m处。I、II、III号剖面的松动圈测试点布置如图2所示,正帮是实体煤帮,副帮是靠近采空区的煤柱帮。

图2 剖面的松动圈测试点布置图Fig.2 Layout of measuring points for broken rock zone

围岩松动圈测试采用单孔测试法,孔深2.4 m,两帮的孔向下倾斜3°～5°,有倾角方便水留在孔中,顶板的孔垂直向上。测孔钻成后要及时测试,以防测试孔时间过长引起变形或坍塌。测试前用常压水冲洗每个测试孔,把测孔中的岩粉或者煤粉清洗干净,耦合剂是普通水，供应水使用常压水。测试时将探头同时送入孔口进行水耦合,然后拉动推杆将探头向里,每移动10 cm记录一次超声波传播时间,直到孔口为止。

3 测试结果及分析

3.1 I号剖面测试结果

根据I031001工作面回采巷道I号剖面的超声波传播时间数据,绘制出各孔超声波传播时间-钻孔深度的关系曲线,如图3所示。

图3 I号剖面各孔超声波传播时间-钻孔深度的关系图Fig.3 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section I

由图3可知,1#钻孔在距巷帮孔口1.65 m处时,声波在煤体中的传播时间明显降低,并且稳定在50 μs以下,松动圈在1.65 m以内;2#钻孔在接近孔口1.35 m处时,声波传播时间持续下降,在距孔口1.35～1.50 m趋于稳定,松动圈在1.50 m以内;3#钻孔在接近孔口1.45 m处时,声波传播时间明显下降,并保持稳定,松动圈在1.45 m以内。

1#和3#钻孔的浅部松动范围明显,这是因为两帮的安装应力明显小于顶板的安装应力,主要原因是施工机具所致。1#钻孔的巷道围岩松动圈范围最大,且浅部破碎最明显,主要原因是此处圆钢锚杆的最大预应力仅仅为40 N·m,不能很好地控制浅部围岩变形。

3.2 II号剖面测试结果

根据I031001工作面回采巷道II号测点的超声波传播时间-钻孔深度关系测试结果,绘制出各孔超声波传播时间-钻孔深度的关系曲线,如图4所示。

图4 II号剖面各孔超声波传播时间-钻孔深度的关系图Fig.4 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section II

由图4可知,1#钻孔在距巷帮孔口1.65 m处时,声波在煤岩体传播接收时间明显降低,松动圈在1.65 m以内;2#钻孔在距孔口1.25 m处以内,声波传播时间一直在波动,之后下降明显,且基本保持稳定,松动圈在1.25 m以内;3#钻孔接近孔口0.65 m处时,声波传播时间明显下降,并保持稳定,松动圈在0.65 m以内。

1#孔松动范围最大,松动程度最大,其主要原因是此处圆钢锚杆的最大预应力仅仅为40 N·m,不能很好控制浅部围岩变形。3#钻孔在150～650 mm范围内,破碎程度较大。

3.3 III号剖面测试结果

根据I031001工作面回采巷道III号测点围岩松动圈的超声波测试数据,绘制出各孔超声波传播时间-钻孔深度的关系曲线,如图5所示。

图5 III号剖面各孔超声波传播时间-钻孔深度的关系图Fig.5 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section III

由图5可知，1#钻孔的测试波速分布特点是距巷帮孔口1.65 m以内声波在煤岩体传播接收时间比较长,几乎在50 μs以上,深度在1.65 m以外,声波在煤体传播接收时间比较短,大部分小于50 μs,松动圈在1.65 m内;2#钻孔的测试波速分布特点是距孔口0.80 m以内,煤体的超声波传播时间最长,距孔口0.85～1.25 m两处有裂隙发育,但是整体的波速较大,煤体裂隙发育不明显,没有明显的松动圈界限;3#钻孔的波速整体偏小,但是该孔的波速变化情况可以基本反映裂隙的主要发育段，波速的分布特点是距孔口1.25 m以内超声波速度波动较大,该处围岩整体破碎,1.25 m处已有有明显下降趋势,松动圈在1.25 m以内。

4 结论

综上所述,上榆泉煤矿I031001工作面的巷道围岩松动圈测试结果如下:

1)在距巷道开口160 m处,副帮一侧松动圈范围在1.65 m以内,正帮一侧松动圈范围在1.45 m以内,顶板松动圈在1.50 m以内。

2)在距巷道开口400 m处,副帮一侧松动圈范围在1.65 m以内,正帮一侧松动圈范围在0.65 m以内,顶板松动圈在1.25 m以内。

3)在距巷道开口612 m处,副帮一侧松动圈范围在1.65 m以内,正帮一侧松动圈范围在1.25 m以内,顶板松动圈在1.25 m范围以上。

巷道副帮松动范围最大,且浅部破碎最明显,其主要原因是采用玻璃钢锚杆,其最大预应力仅仅为40 N·m,不能很好地控制浅部围岩变形。顶板的松动范围基本稳定,这与其施工工具、工艺比较稳定有关。正帮的松动范围最大1.65 m,最小0.65 m,其原因与地质条件和两帮施工工具的预应力施加局限有关,目前支护条件下松动范围最大1.65 m。同时,松动范围的变化也表明改进两帮施工条件及工艺参数存在减小松动圈范围的可能。