基于松动圈测试的回采巷道围岩分类研究

＊高林 刘鹏泽 张盼栋

（贵州大学矿业学院 贵州 550025）

枫香矿区位于贵州省遵义县西北部枫香镇境内，矿区内煤炭资源丰富，探明储量达1.2亿吨，是当地发展的主力军。近年来其下属煤矿随着开采深度的不断加大，煤矿开采过渡到深部开采，导致矿山压力增大，原有支护方式支护效果不甚理想或虽基本满足要求但阻碍了矿井安全高效开采。因此，在目前政策要求情况下，如何选择巷道支护方式，确定巷道支护参数，使枫香矿区顺利推行安全高效开采，已是摆在枫香矿区技术人员面前亟待解决的一个关键问题。已有研究表明[1]，松动圈理论是指导锚杆支护设计和分析锚杆作用机理的有效理论依据，特别是确定锚杆长度的主要依据，在实际工程中得到了广泛的应用。对松动圈和围岩进行测量和分类是制定支护方案及确定支护参数的基础，也是确保枫香矿区安全稳定开采最为关键的步骤。因此，精准掌握枫香矿区巷道松动圈大小，对判定围岩类别、制定支护方案及确定支护参数乃至保障巷道支护安全可靠，从根本上防止煤矿安全事故的发生具有重要的现实意义[2-4]。

1.采用松动圈进行围岩分类的合理性

巷道开挖后，其围岩的连续性和完整性遭到破坏，出现破碎变形，变形破坏从巷道表面围岩一直向深部围岩发育，直至重新恢复应力平衡，此时巷道围岩不再是一个连续的、完整的统一承载体，且在巷道周围形成一个环状破裂带，称其为松动圈[1]。在现场，可用声波仪、多点位移计等探测出围岩中的这个破裂带的厚度，称为松动圈值[5]，围岩松动圈厚度值（LP）除受围岩强度、原岩应力大小、巷道断面大小、巷道断面形状、掘进方式等多种因素的影响外，还与巷道的支护方式、支护参数有较大的关系，因此LP是一个多因素综合指标的体现，并且LP没有作任何假设是由现场实测所得的，所以用LP进行松动圈围岩分类所得的围岩分类结果真实可靠。

2.松动圈测试

围岩松动圈测试技术有超声波法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法、钻孔探测法等[6-7]。其中钻孔探测法与其它实测方法相比，测定围岩松动圈厚度值的连续性、直观性和具体性更强，且成本较低。且近年来大量使用结果表明，钻孔探测法中的探测仪设计合理、结构简单、方便携带、性能可靠、操作简便、测试结果准确高，具有良好的性价比，是测定围岩松动圈范围的理想仪器。

(1)测试方法

本次研究采用岩层钻孔探测仪进行观测，对枫香矿区内三对矿井的6条回采巷道的围岩松动圈进行了现场实测。

岩层钻孔探测仪通过多次实测图像的对比，可描述出巷道围岩离层、错位、裂隙分布及破碎情况。探测仪主要组成部分有：高清微型探头、信号线、图像转换器、光源、稳压电源、信号转换器、数码录像设备、主机等，探头通过一条信号线与数码录像设备连接以实现信号传送，并通过推送杆逐节连接后将探头送入钻孔内进行探测。具体使用操作为：在选定地点的岩层中钻出不小于32mm的钻孔，同时将孔内岩石及煤粉等粉碎物用高压水或风冲洗干净；探测头与主机通过信号线传送信号，将探头推送杆逐节连接后将探头插入钻孔内；将探头、主机、电源通过信号线连接，将探头安装在推送杆上。安装完毕后，打开主机显示器的电源开关；用推送杆将探头匀速推入钻孔内，直至孔底，探测结束。具体的测试步骤如下：

①在所选测站的两帮和顶板打钻孔，钻孔的直径以能使探头自由出入为主，钻孔深度要根据围岩的破碎程度而定。钻孔打好后，如钻孔中有大量煤岩粉填在岩层的裂隙中，为了不影响探测效果，用高压水冲净或用风枪吹出充填在裂缝中的岩煤粉，以使图像采集结果清晰可见。

②由专人负责记录，记录测站及钻孔的位置、钻孔深度、及测量次数等。将探头用推送杆送入钻孔内，直到探头到达钻孔尽头为止。推送探头期间从主机显示器观察孔壁变化，并在笔记本上记录出现裂隙及破碎带的时间及推入钻孔的深度。

③测试完毕后，缓慢向外移动摄像头，间隔一定的距离记录下采集图像的时间，直到探头拉出钻孔口为止。

④当摄像头到达钻孔口时，关闭记录，保证数据存储正确，将镜头擦拭干净，盖上镜头保护套，防止镜头受损，并准备开始下一个钻孔的测试。

⑤在实验室对采集到的数据进行整合，并进一步处理，综合分析得出回采巷道围岩的破碎状况及围岩松动圈厚度值（LP）。

(2)测站布置

根据现场考察，工作面回采期间，回采巷道受动压影响矿压显现强烈段位于距离采煤工作面端头0～25m范围内，由此推断此范围内回采巷道围岩松动圈值应该最大。因此，现场实测时主要将测点布置在回采巷道此范围内，以便可以测试出回采巷道回采期间动压影响下围岩最大松动圈值。各工作面回采巷道测站安设见图1。

图1 回采巷道围岩松动圈测站及测孔布置示意图

(3)测试结果

根据现场测试数据分析，各煤矿回采巷道围岩松动圈实测值如表1所示。限于篇幅，此处只列举A矿围岩松动圈测试结果。同时，根据“采动巷道围岩松动圈分类”理论[3]，采动巷道尤其是工作面回采巷道服务年限较短，使用要求与永久大巷相比相对较低，加之采动巷道围岩变形量小于静压非采动巷道，因而采动巷道围岩类别划分的界限应略有提高。也就是说，采动巷道应用围岩松动圈分类方法时，所测得的动压作用条件下的最大松动圈Lpd应乘以一个折算系数k修正，然后再进行分类。采动巷道松动圈折算值由式（1）求得。

表1 松动圈值实测结果及修正值统计表

式中，L—采动巷道松动圈折算值；Lpd—实测采动巷道松动圈数值；k—采动巷道松动圈折算系数，其值与工作面推进速度有关，初步建议取k=0.82～0.92，工作面推进速度较慢时取上限k=0.92，工作面推进速度较快时（高产高效工作面）取下限k=0.82。

因此，数据处理过程中对6条回采巷道实测得的松动圈值进行修正。根据三对矿井工作面回采情况及推进速度，修正系数k取0.92。具体修正结果见表1。

3.测试结果分析

整理分析表1数据，可以得出：

（1）A矿同样距离采煤工作面上下端头10m处，回风巷围岩松动圈最大为1.67m，运输巷围岩松动圈最大为1.36m。

（2）B矿10701工作面运输巷距离采煤工作面端头10m、20m、30m处围岩松动圈最大值分别为1.25m、1.13m、1.10m。

（3）C矿10401工作面回风巷测站1处，顶板围岩松动圈值为1.40m，两帮围岩松动圈最大值为1.24m。

综合上述研究结论可得，枫香矿区回采巷道围岩松动圈的厚度沿两帮从帮底向上逐渐增大，在巷道顶部处达到最大，因此确定围岩松动圈大小的变化规律大致如图2所示。同时根据以上测试结果及分析得出，枫香矿区回采巷道在回采期间围岩松动圈折算值（LPo）最小为0.77m，最大为1.67m。对照巷道松动圈围岩稳定性分类表1，属于中～大松动圈，围岩类别属于Ⅲ（一般围岩）～Ⅳ（一般不稳定围岩）类。

图2 枫香矿区回采巷道围岩松动圈预测图

4.结论

（1）同一煤矿回采工作面中与采煤工作面上下端头距离相同处，回风巷松动圈值要比运输巷松动圈值大。

（2）同一回采巷道围岩松动圈测试段，距离采煤工作面越近，松动圈值越大。

（3）同一测站处，顶板围岩松动圈值一般比两帮围岩松动圈值大。

（4）枫香矿区内代表性矿井回采巷道在回采期间围岩松动圈属于中～大松动圈，围岩类别属于Ⅲ（一般围岩）～Ⅳ（一般不稳定围岩）类。