李世成，婁培杰

(1.寧夏王洼煤業(yè)有限公司王洼煤礦，寧夏 固原 756504；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 準(zhǔn)南 232001)

1 礦井概況及工程背景

王洼礦區(qū)井田煤系總體走向?yàn)镹NW至NW，傾向NEE至NE，西部因在盆地邊緣，由于地層、煤層由東向西超覆沉積，傾角由東向西逐漸變大。

礦區(qū)大部分開(kāi)拓、準(zhǔn)備及回采巷道內(nèi)煤層頂、底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，該巖性含高嶺土、蒙脫石、伊利石等易崩解膨脹的礦物成份較高，造成巷道斷面變形較嚴(yán)重，部分架棚巷道棚腿與棚梁搭接處出現(xiàn)螺栓崩斷甚至棚腿被壓折的現(xiàn)象，巷道底板底鼓，巷道失修率高、維護(hù)周期短、成本高。特別是水倉(cāng)、變電所等大斷面永久硐室投入使用后返修困難。這些現(xiàn)象都是以泥巖為代表的軟巖的膨脹性和崩解性引起，造成圍巖變形量大、速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、四周來(lái)壓、底臌明顯，遇水膨脹、變形加劇，普通的剛性支護(hù)普遍破壞。鑒于此，開(kāi)展王洼礦區(qū)軟巖巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)性能評(píng)價(jià)，提出高應(yīng)力軟巖巷道彈性支護(hù)技術(shù)，顯得尤為重要[1]。

2 地應(yīng)力測(cè)試原理

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)地應(yīng)力測(cè)量主要采取四種手段，分別為深孔套芯解除法、深孔水壓致裂法、基于巖芯的差應(yīng)變法和滯彈性恢復(fù)法。其中套芯法測(cè)試精度最高，水壓致裂法次之，根據(jù)項(xiàng)目需求綜合比對(duì)各種方法的測(cè)試結(jié)果，最終確定精度較高的深孔套芯解除法來(lái)測(cè)試鉆孔的地應(yīng)力狀態(tài)及規(guī)律[2]。

本次工程選取山東科技大學(xué)洛賽爾傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZLGHS型地應(yīng)力傳感器，在巷道變形較大的地方(地應(yīng)力敏感點(diǎn)，原巖應(yīng)力大)埋設(shè)傳感器監(jiān)測(cè)巷道圍巖的應(yīng)力。該傳感器外型為炮彈式，在X、Y、Z三個(gè)互相垂直方向上，各安裝了1只振弦式測(cè)應(yīng)力傳感器，傳感器為壓片直接受力型，靈敏度高、防水設(shè)計(jì)好，如圖1所示。3根4芯電纜線將3只傳感器的信號(hào)傳出，電纜線接頭與DQ-8多點(diǎn)采集器連接，插入電腦后可實(shí)時(shí)采集應(yīng)力值，也可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于GSJ-2A型便攜式數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)器內(nèi)，測(cè)試時(shí)均帶同步采集時(shí)間的功能。

圖1 ZLGHS型地應(yīng)力傳感器

3 地應(yīng)力測(cè)試目的及安裝過(guò)程

該測(cè)試主要為王洼礦區(qū)巷道支護(hù)掌握施工質(zhì)量和支護(hù)工作狀況，以便對(duì)已完成的巷道支護(hù)進(jìn)行性能分析、修改支護(hù)參數(shù)提供合理的數(shù)據(jù)支持；掌握詳細(xì)的巷道圍巖的壓力狀況，分析圍巖荷載的變化情況，為該圍巖條件下采取針對(duì)性的支護(hù)技術(shù)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)參考。

1)地點(diǎn)選取。由于地應(yīng)力測(cè)量計(jì)算是以線彈性理論為基礎(chǔ)的，所以測(cè)試段應(yīng)避開(kāi)裂隙，在巖石較完整的孔段進(jìn)行選取整體巖性較好區(qū)域的巷道安設(shè)測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)巷道內(nèi)供應(yīng)水電方便，打鉆工作時(shí)應(yīng)不影響巷道運(yùn)輸[3]。綜合考慮部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布如圖2所示：

圖2 王洼礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)平面位置

2)打孔取芯。采用氣動(dòng)履帶式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔和巖石取樣，理論上埋設(shè)傳感器需要鉆孔直徑Φ85～Φ100 mm，但現(xiàn)場(chǎng)鉆頭直徑為Φ130 mm。配直徑為42 mm/50 mm、長(zhǎng)度為1m的接長(zhǎng)鉆桿。在巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)幫部1m左右向上鉆孔，打孔時(shí)傾斜角度一般控制在仰斜3°～5°，這種角度便于排水并易于用水管清洗鉆孔，鉆孔孔深為15m。取出的巖芯及時(shí)進(jìn)行標(biāo)號(hào)、密封，處理以后對(duì)巖性進(jìn)行分析。

3)沖洗鉆孔。當(dāng)鉆孔至預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，抽出鉆桿5 cm，用鉆機(jī)的水管對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗，及時(shí)清理鉆孔內(nèi)部的巖體碎塊及粉塵，防止在埋設(shè)傳感器時(shí)孔內(nèi)有巖石碎屑堵塞鉆孔，為埋設(shè)傳感器及注漿工作做準(zhǔn)備。

4)當(dāng)鉆孔清理完成過(guò)后，將傳感器一節(jié)一節(jié)按順序連上護(hù)線管子擰緊，線從護(hù)線管中間穿過(guò)來(lái)，對(duì)準(zhǔn)X方向的中線，也就是要記準(zhǔn)X、Y方向，管子將傳感器送入孔內(nèi)的一定深處。

5)傳感器的關(guān)鍵是安裝方向，安裝時(shí)需要將連接的安裝管子按照設(shè)計(jì)方向安裝準(zhǔn)確，安裝管子為1m/節(jié)，依次定位連接安裝管子，保持已經(jīng)安裝的管子方向不變，來(lái)確定傳感器X、Y的方向。其中Z方向垂直于巷道圍巖向里，X.、Y平面平行于巷道豎向軸對(duì)稱面。

6)安裝管子隨傳感器在孔內(nèi)不隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，保持方向不變。注漿材料為型號(hào)為PO42.5普通硅酸鹽水泥、速凝劑，采用水灰比0.6:1，通過(guò)QB152型便攜式注漿泵帶動(dòng)氣動(dòng)注漿機(jī)進(jìn)行灌漿，注漿后采用泡沫封口膠進(jìn)行封閉。待漿體凝固后，待24小時(shí)后對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)頻調(diào)零，以此為零點(diǎn)。注意保護(hù)電纜線的插頭不要進(jìn)水進(jìn)泥，電纜不要折斷破皮。

4 數(shù)據(jù)的采集及分析

本次數(shù)據(jù)采集儀器采用與振弦式三維地應(yīng)力傳感器同家公司生產(chǎn)的GSJ-2A型智能檢測(cè)儀，山東洛塞爾公司生產(chǎn)的GSJ-2A型智能檢測(cè)儀具有適應(yīng)性強(qiáng)功能強(qiáng)大的便攜式儀表。采用的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中，A、B為傳感器常數(shù)；f0為初頻(F為零時(shí)的頻率)；f為儀表中采集的頻率。

從注漿完畢后地應(yīng)力傳感器調(diào)頻測(cè)零完成后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，剛才開(kāi)始時(shí)每天進(jìn)行一次巷道圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，待數(shù)據(jù)變化幅度減小時(shí)，可以適當(dāng)增大采集數(shù)據(jù)的間隔，直到采集頻率f趨于穩(wěn)定時(shí)，本次試驗(yàn)就可以停止測(cè)量。對(duì)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算將頻率轉(zhuǎn)化成應(yīng)力，整理并尋找地應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)地應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。部分采集數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 部分地應(yīng)力傳感器采集的數(shù)據(jù)

表2 王洼礦區(qū)地應(yīng)力值匯總

5 結(jié) 論

1)從三種地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析可知，該地應(yīng)力地區(qū)屬于中低地應(yīng)力區(qū)；三種地應(yīng)力總體表現(xiàn)為隨巷道埋深逐步增大的趨勢(shì)；

2)該礦區(qū)內(nèi)的最大水平應(yīng)力小于最大垂直應(yīng)力，其值約為最大水平應(yīng)力的0.5～0.7倍；綜合分析可知，地應(yīng)力對(duì)該礦區(qū)開(kāi)采影響活動(dòng)的影響相對(duì)于圍巖巖性不大，巷道變形受地應(yīng)力的影響相對(duì)于圍巖的巖性也不大；

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果，分析圍巖應(yīng)力狀態(tài)，明確王洼礦區(qū)軟巖巷道圍巖變形中地應(yīng)力特征，可以進(jìn)一步分析造成巷道變形破壞的主要原因和基本破壞型式，并針對(duì)性地提出巷道圍巖加固支護(hù)原則和對(duì)策。

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