于 輝，唐仁學(xué)，孔令根，牛智勇

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083；2.重慶煤礦安全監(jiān)察局，重慶401121）

長久以來巷道支護都是煤礦安全生產(chǎn)的重點問題。因此，在巷道支護理論研究方面，國內(nèi)外許多學(xué)者提出多種支護理論方法，如懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論等，但是這些支護理論都是在一定的假設(shè)前提下提出的，因而都有一定的局限性[1]。而巷道圍巖力學(xué)特性復(fù)雜，必須根據(jù)巷道實際圍巖類型選擇合理的支護理論。

圍巖松動圈支護理論建立在對圍巖結(jié)構(gòu)進行實測的基礎(chǔ)上，可以真實反映出各種地質(zhì)因素對圍巖結(jié)構(gòu)的影響，是指導(dǎo)錨桿支護參數(shù)設(shè)計的有效理論依據(jù)[2－3]。實踐證明，松動圈的大小與巷道支護方式的選擇密切相關(guān)。本文以屯蘭礦為工程研究對象，根據(jù)圍巖松動圈支護理論和現(xiàn)場測試結(jié)果，對12501運輸巷道的錨桿支護方式進行了分析研究，得出了基于圍巖松動圈理論的支護設(shè)計方法。

1 圍巖松動圈支護理論

1.1 圍巖松動圈的定義

在原巖中開挖巷道會導(dǎo)致周邊應(yīng)力和圍巖強度的變化，圍巖受力狀態(tài)由三向變成近似二向，巷道周邊徑向應(yīng)力消失，環(huán)向應(yīng)力集中，且圍巖強度明顯下降。如果集中應(yīng)力小于下降后的圍巖強度，圍巖將處于彈塑性狀態(tài)，圍巖可自穩(wěn)，不存在巷道支護問題；反之，圍巖破裂將從周邊開始逐漸向深部擴展，直至達到另一新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時圍巖中出現(xiàn)一個破裂帶，稱之為“圍巖松動圈”[4－5]。

1.2 圍巖松動圈分類

根據(jù)圍巖松動圈的大小，對巷道圍巖進行分類，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的支護機理與支護方式[6]，巷道圍巖松動圈分類表如表1所示。

表1 巷道圍巖松動圈分類表

對于松動圈Lp值小于0.4m的小松動圈可以采用噴混凝土支護的方式進行支護；對于松動圈Lp值在0.4～1.5cm之間的中松動圈采用的支護原理是懸吊理論；Lp＞1.5m時，形成的錨固層組合拱是錨桿支護的主要工作機理。錨桿在錨固力的作用下，將破裂了的巖石組織起來，提高其殘余強度，形成一定厚度的拱狀錨固層，此時可根據(jù)組合拱理論對巷道支護進行設(shè)計。

2 圍巖松動圈測試技術(shù)

2.1 測試原理及儀器

從根本上講松動圈測試是通過超聲波在煤巖體鉆孔內(nèi)傳播速度的快慢，來探測煤巖體裂隙發(fā)育程度。一般來說，超聲波在煤巖體中傳播時要發(fā)生幾何衰減和物理衰減，但在裂隙不發(fā)育、風(fēng)化程度低、密度大、彈性模量大等的煤巖體傳播時，聲波在微觀環(huán)境即鉆孔內(nèi)的裂隙內(nèi)的能量流失少，傳播速度較快。相反，超聲波在裂隙發(fā)育，破碎帶多，抗壓強度小等的煤巖體中傳播時，聲波有一大部分能量沿著微觀環(huán)境即鉆孔內(nèi)的裂隙傳播、損耗，傳播速度較慢。因此，根據(jù)超聲波這種在不同圍巖體內(nèi)傳播速度不同的特性，通過超聲波速度的變化規(guī)律即可確定巷道圍巖的松動圈大小。

根據(jù)彈性理論，由彈性波的波動方程通過彈性力學(xué)空間問題的靜力方程推導(dǎo)，可得出超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系[7]。

式中：VP為煤體的縱波速度；VS為煤體的橫波速度；E為煤體的彈性模量；Μ為煤體的泊松比。

由式（1）和式（2）可以看出VP和VS與彈性模量E呈正方向變化，與密度ρ呈反方向變化，VP與泊松比μ呈正方向變化，VS與泊松比μ呈反方向變化。同時，彈性模量E、密度ρ、泊松比μ又共同決定了煤體的力學(xué)參數(shù)，因此煤體的力學(xué)狀態(tài)、破碎情況等可以通過測試超聲波在在煤體中的傳播速度的差異而了解到，從而根據(jù)煤體的破壞情況確定巷道的松動圈大小。

國內(nèi)外測量圍巖松動圈的方法很多，主要包括地震測法、電阻率法、超聲波測法、孔內(nèi)攝像法等[8]，各種方法均有一定的適用性。本文采用的方法是超聲波測法，測試儀器選用煤炭科學(xué)研究總院生產(chǎn)的PHD－2型松動圈測試儀進行巷道松動圈測試，儀器采用單孔測試，超聲波發(fā)射裝置和接受裝置前后串聯(lián)布置，兩裝置間距為250mm。

2.2 測試方法

圍巖松動圈測試的方法有雙孔測試與單孔測試，本儀器采用單孔測試。鉆孔鉆成后需觀察是否出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，如果沒有出現(xiàn)塌孔須立即進行松動圈測試。松動圈測試前需用水將孔內(nèi)的煤巖屑清理干凈，松動圈測試采用水耦合方式測試。

1）打孔：由于受到松動圈測試設(shè)備的影響，松動圈測量孔的孔徑不能小于42mm，但亦不能太大，鉆孔一般應(yīng)打在腰線位置，并且向下有一定的傾角（利于孔內(nèi)水位的保持），孔深一般應(yīng)大于3m。

2）注水：用水將孔內(nèi)的煤巖屑沖洗干凈后，將測試探頭接到接長桿上，送入鉆孔底部，然后向孔內(nèi)注水，并且在松動圈測試過程中保持孔內(nèi)始終充滿水。

3）松動圈測試：待孔內(nèi)充滿水后將松動圈測試探頭從孔底勻速緩慢拔出，并且每個100mm讀取一次數(shù)據(jù)，在探頭拔出過程中，隨著周圍圍巖的破碎情況的不同，松動圈測試儀上的讀數(shù)也會隨之發(fā)生改變，根據(jù)讀數(shù)變化的規(guī)律，對數(shù)據(jù)進行處理分析后即可基本確定圍巖的松動圈大小。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

屯蘭煤礦位于呂梁－太行斷塊五臺山塊隆古交向斜的南部，俗稱太原西山向斜。其西部為呂梁山復(fù)式背斜，東部為山西 斷陷盆地系中部的太原－晉中盆地。12501運輸巷道位于南五盤區(qū)＋750m水平的2＃煤層。該煤層均厚為4.25m，屬較穩(wěn)定的厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，裂隙較發(fā)育，平均傾角2.5°，最大為6°，為近水平煤層。煤層頂板以薄層狀的粉砂巖和泥巖為主，并夾雜砂質(zhì)泥巖互層。巖性松軟，機械強度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬不穩(wěn)定頂板；底板以碳質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，局部為3＃煤層，富含植物根須化石，較松軟，遇水易膨脹，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，為不穩(wěn)定底板巖層。

3.2 圍巖松動圈測試及支護參數(shù)設(shè)計

3.2.1 測試方案

根據(jù)圍巖松動圈支護理論，在12501運輸巷道內(nèi)應(yīng)用PHD－2型松動圈測試儀進行圍巖松動圈范圍測試。在距離回采工作面停采線120m處開始布置測試鉆孔，向停采線方向共布置4個，測試鉆孔間隔10m，布置在巷道頂板中線位置。鉆孔參數(shù)：鉆頭直徑43mm，孔深3m，向下傾斜4°。

3.2.2 測試結(jié)果分析

通過松動圈測試儀測得的頂板各測點波速與測試鉆孔深度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 各測點波速－測試鉆孔深度關(guān)系曲線

從圖2可以看出，4個測點處測試結(jié)果比較相近，波速發(fā)生跳躍的拐點可視作松動圈邊界點，根據(jù)曲線可判斷出本巷道圍巖松動圈厚度在1.3～1.5m之間，屬于中松動圈。

3.2.3 根據(jù)松動圈范圍確定圍巖支護參數(shù)

按照圍巖松動圈支護理論，松動圈厚度Lp值在1.3～1.5m之間屬于Ⅲ類一般圍巖，應(yīng)按照懸吊理論設(shè)計錨桿參數(shù)。

1）錨桿長度計算（式（3））。

式中：L為錨桿長度；L1為錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般取300～400mm；LP為松動圈厚度；L3為錨桿外露長度，一般取100～150mm；K為安全系數(shù)，一般根據(jù)巷道的重要程度及服務(wù)年限，取K＝1～2.5。

取L1＝300mm；L3＝100mm；該巷道為回采巷道，服務(wù)年限較短，取K＝1.2；松動圈厚度LP取最大值1500mm；L≥300＋1.2×1500＋100＝2200mm。

2）錨桿間排距計算（式（4））。

式中：a為為錨桿間排距；Q為實測錨固力；γ為頂板巖 層 容 重；取Q＝46.8kN；K＝1.2；γ＝26kN／m3，則：a≤1000mm。

3）錨桿強度的計算（式（5））。

只考慮不具備自穩(wěn)能力的松動圈重量，按懸吊機理計算分析時，錨桿破斷拉力QT見式（5）。

式中：QT為錨桿抗拉強度；B為巷道寬度；n為每排錨桿數(shù)量。

根據(jù)12501運輸巷道斷面尺寸，取巷道寬度B＝4.8m；根據(jù)錨桿間距及巷道寬度可取n＝6，則QT≥31.2kN。

為了增強支護結(jié)構(gòu)對下部巖層的懸吊作用，將部分錨桿替換為錨索，采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式，并根據(jù)以上支護參數(shù)確定巷道頂板支護方案為：采用“錨桿＋錨索＋8＃菱形金屬網(wǎng)＋Φ16圓鋼托架”的聯(lián)合支護方式。錨桿采用Φ22mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1800mm×950mm；錨索型號為 Φ21.6mm×6300mm，間排距為 1800mm×950mm，錨桿與錨索三根三根交錯布置，均打設(shè)到托架眼里。頂網(wǎng)采用Φ16圓鋼托架加8＃菱形金屬網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 巷道支護方案圖（單位：mm）

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了檢驗支護效果，對巷道進行表面位移監(jiān)測，通過對數(shù)據(jù)分析和處理，得到頂板和兩幫圍巖變形規(guī)律如圖4所示。由監(jiān)測結(jié)果知：頂?shù)装遄畲笠平啃∮?6mm，兩幫最大移近量小于36mm。在巷道開掘后35d內(nèi)，圍巖變形速率較大，之后變形速率減小，圍巖趨于穩(wěn)定。這說明以松動圈理論為依據(jù)設(shè)計的支護方案能夠有效的控制巷道圍巖變形，滿足巷道支護要求。

圖3 巷道表面位移變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）根據(jù)松動圈支護理論及測試方法，對屯蘭礦12501運輸巷道進行圍巖松動圈測試，確定松動圈厚度值Lp并進行圍巖松動圈分類。由測試結(jié)果可知，巷道圍巖松動圈厚度在1.3～1.5m之間，屬于中松動圈Ⅲ類一般圍巖，應(yīng)按照懸吊理論設(shè)計錨桿參數(shù)。

2）通過對設(shè)計好的支護參數(shù)進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗并進行表面位移監(jiān)測，表明該支護方式很好地控制了圍巖變形，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平慷己苄。３至讼锏婪€(wěn)定。

3）以松動圈理論作為支護設(shè)計的依據(jù)，設(shè)計的支護參數(shù)可靠，從而為屯蘭礦巷道支護設(shè)計提供了技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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