白海軍,張東華,張玉江,鄭 哲

(1. 國家能源投資集團(tuán)國神集團(tuán)上榆泉煤礦,山西 河曲 036500;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

巷道的圍巖破壞范圍是巷道支護(hù)安全需要首先考慮的問題,圍巖破壞范圍的準(zhǔn)確測量對支護(hù)設(shè)計(jì)非常重要[1-3]。巷道表面圍巖的破壞產(chǎn)生圍巖松動(dòng)圈。巷道開挖后煤巖層的原始應(yīng)力進(jìn)行重新分布,巷道表面圍巖受力由原來的三向應(yīng)力逐漸變化為接近兩向應(yīng)力,巷道圍巖的徑向應(yīng)力在接近巷道壁的過程中逐漸減小。同時(shí),在巷道周邊的切向應(yīng)力則會(huì)集中。巷道表面的應(yīng)力集中對受采動(dòng)影響的巖石產(chǎn)生不利影響,應(yīng)力集中區(qū)逐漸向圍巖深部轉(zhuǎn)移,進(jìn)而在應(yīng)力集中區(qū)至巷道邊界區(qū)域形成一個(gè)塑性區(qū),也就是巷道松動(dòng)圈范圍。

董方庭等[4-6]于1985年提出圍巖松動(dòng)圈理論,將圍巖松動(dòng)圈尺寸作為圍巖分類指標(biāo),進(jìn)而選用不同的支護(hù)設(shè)計(jì)。隨著巖石力學(xué)的逐步發(fā)展,松動(dòng)圈范圍的測試不僅應(yīng)用于巷道支護(hù),也應(yīng)用于隧道、大壩、建筑物、瓦斯抽放的封孔深度和煤層注水等。綜上所述,準(zhǔn)確測定巷道圍巖松動(dòng)圈在巷道支護(hù)和瓦斯抽放、煤層注水及瓦斯壓力測定等的封孔過程中具有重要作用,是圍巖支護(hù)中的一個(gè)重要工序。圍巖內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)很難通過理論準(zhǔn)確地計(jì)算出來,通過設(shè)備進(jìn)行直接測試是一個(gè)重要的輔助手段[7-10]。

1 圍巖松動(dòng)圈測試原理

測量圍巖松動(dòng)圈的方法有超聲波速測法、地震測法、電阻率法、孔內(nèi)攝像法等。在上榆泉煤礦I031001工作面巷道的松動(dòng)圈測試中,采用煤炭科學(xué)研究總院沈陽煤科院生產(chǎn)的CLC1000-C超聲波圍巖裂隙探測儀。其主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 CLC1000-C超聲波圍巖裂隙探測儀Fig.1 CLC1000-C ultrasonic detector for rock crack in surrounding rock

松動(dòng)圈測試的原理是超聲波在原生巖石和受到破壞的巖石中的傳播速度不一樣,受力狀態(tài)和密實(shí)程度不一樣,傳播速度也不同，通過超聲波在不同位置的傳播速度來預(yù)測和判斷圍巖的破壞和受力情況。當(dāng)巖石距離巷道距離較遠(yuǎn),可以認(rèn)為巖石受到原巖應(yīng)力,距離較近時(shí),有一個(gè)彈塑性分界區(qū),分界區(qū)之外可以假定為彈性體,分界區(qū)之內(nèi)假定為彈塑性體。超聲波由聲波儀振蕩器產(chǎn)生的高壓電脈沖信號激發(fā)超聲波發(fā)射器產(chǎn)生瞬態(tài)的振動(dòng)信號,振動(dòng)信號在超聲波發(fā)射器和超聲波接收器之間傳播,穿過巖石介質(zhì),超聲波接收器把接收到的振動(dòng)信號再轉(zhuǎn)變成電信號傳給超聲波儀,經(jīng)放大處理后,顯示出超聲波穿過巖石的時(shí)間、波速等參數(shù),根據(jù)超聲波速度確定分析巖石的破壞情況。

根據(jù)彈性力學(xué)理論,超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性參數(shù)密切相關(guān),具體見公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中:vp為巖體的縱波速度,m/s;vs為巖體的橫波速度,m/s;E為巖體的彈性模量,MPa;μ為巖體的泊松比;ρ為巖體的密度,kg/m3。

由公式(1)和公式(2)可知,巖體中超聲波的傳播速度與彈性模量、泊松比、密度相關(guān),這些參數(shù)與煤體的破壞程度直接相關(guān),因此,巖體中的超聲波速度變化規(guī)律可間接反應(yīng)出煤體內(nèi)部的破壞情況,通過在回采巷道的兩幫不同深度處測試超聲波速的變化情況,確定巷道圍巖的松動(dòng)圈范圍大小。

2 松動(dòng)圈測點(diǎn)布置

松動(dòng)圈測試地點(diǎn)布置在上榆泉煤礦的I031001工作面輔運(yùn)巷,該巷道屬于全煤巷道,開采的10號煤層屬于特厚煤層。選取了3個(gè)剖面布置測試點(diǎn),I號剖面位于距巷道開切口160 m處,II號剖面位于距巷道開切口400 m處,III號剖面位于距巷道開切口612 m處。I、II、III號剖面的松動(dòng)圈測試點(diǎn)布置如圖2所示,正幫是實(shí)體煤幫,副幫是靠近采空區(qū)的煤柱幫。

圖2 剖面的松動(dòng)圈測試點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measuring points for broken rock zone

圍巖松動(dòng)圈測試采用單孔測試法,孔深2.4 m,兩幫的孔向下傾斜3°～5°,有傾角方便水留在孔中,頂板的孔垂直向上。測孔鉆成后要及時(shí)測試,以防測試孔時(shí)間過長引起變形或坍塌。測試前用常壓水沖洗每個(gè)測試孔,把測孔中的巖粉或者煤粉清洗干凈,耦合劑是普通水，供應(yīng)水使用常壓水。測試時(shí)將探頭同時(shí)送入孔口進(jìn)行水耦合,然后拉動(dòng)推桿將探頭向里,每移動(dòng)10 cm記錄一次超聲波傳播時(shí)間,直到孔口為止。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 I號剖面測試結(jié)果

根據(jù)I031001工作面回采巷道I號剖面的超聲波傳播時(shí)間數(shù)據(jù),繪制出各孔超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度的關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖3 I號剖面各孔超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度的關(guān)系圖Fig.3 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section I

由圖3可知,1#鉆孔在距巷幫孔口1.65 m處時(shí),聲波在煤體中的傳播時(shí)間明顯降低,并且穩(wěn)定在50 μs以下,松動(dòng)圈在1.65 m以內(nèi);2#鉆孔在接近孔口1.35 m處時(shí),聲波傳播時(shí)間持續(xù)下降,在距孔口1.35～1.50 m趨于穩(wěn)定,松動(dòng)圈在1.50 m以內(nèi);3#鉆孔在接近孔口1.45 m處時(shí),聲波傳播時(shí)間明顯下降,并保持穩(wěn)定,松動(dòng)圈在1.45 m以內(nèi)。

1#和3#鉆孔的淺部松動(dòng)范圍明顯,這是因?yàn)閮蓭偷陌惭b應(yīng)力明顯小于頂板的安裝應(yīng)力,主要原因是施工機(jī)具所致。1#鉆孔的巷道圍巖松動(dòng)圈范圍最大,且淺部破碎最明顯,主要原因是此處圓鋼錨桿的最大預(yù)應(yīng)力僅僅為40 N·m,不能很好地控制淺部圍巖變形。

3.2 II號剖面測試結(jié)果

根據(jù)I031001工作面回采巷道II號測點(diǎn)的超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度關(guān)系測試結(jié)果,繪制出各孔超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度的關(guān)系曲線,如圖4所示。

圖4 II號剖面各孔超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度的關(guān)系圖Fig.4 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section II

由圖4可知,1#鉆孔在距巷幫孔口1.65 m處時(shí),聲波在煤巖體傳播接收時(shí)間明顯降低,松動(dòng)圈在1.65 m以內(nèi);2#鉆孔在距孔口1.25 m處以內(nèi),聲波傳播時(shí)間一直在波動(dòng),之后下降明顯,且基本保持穩(wěn)定,松動(dòng)圈在1.25 m以內(nèi);3#鉆孔接近孔口0.65 m處時(shí),聲波傳播時(shí)間明顯下降,并保持穩(wěn)定,松動(dòng)圈在0.65 m以內(nèi)。

1#孔松動(dòng)范圍最大,松動(dòng)程度最大,其主要原因是此處圓鋼錨桿的最大預(yù)應(yīng)力僅僅為40 N·m,不能很好控制淺部圍巖變形。3#鉆孔在150～650 mm范圍內(nèi),破碎程度較大。

3.3 III號剖面測試結(jié)果

根據(jù)I031001工作面回采巷道III號測點(diǎn)圍巖松動(dòng)圈的超聲波測試數(shù)據(jù),繪制出各孔超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度的關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖5 III號剖面各孔超聲波傳播時(shí)間-鉆孔深度的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between ultrasonic wave travel time and borehole depth on section III

由圖5可知，1#鉆孔的測試波速分布特點(diǎn)是距巷幫孔口1.65 m以內(nèi)聲波在煤巖體傳播接收時(shí)間比較長,幾乎在50 μs以上,深度在1.65 m以外,聲波在煤體傳播接收時(shí)間比較短,大部分小于50 μs,松動(dòng)圈在1.65 m內(nèi);2#鉆孔的測試波速分布特點(diǎn)是距孔口0.80 m以內(nèi),煤體的超聲波傳播時(shí)間最長,距孔口0.85～1.25 m兩處有裂隙發(fā)育,但是整體的波速較大,煤體裂隙發(fā)育不明顯,沒有明顯的松動(dòng)圈界限;3#鉆孔的波速整體偏小,但是該孔的波速變化情況可以基本反映裂隙的主要發(fā)育段，波速的分布特點(diǎn)是距孔口1.25 m以內(nèi)超聲波速度波動(dòng)較大,該處圍巖整體破碎,1.25 m處已有有明顯下降趨勢,松動(dòng)圈在1.25 m以內(nèi)。

4 結(jié)論

綜上所述,上榆泉煤礦I031001工作面的巷道圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果如下:

1)在距巷道開口160 m處,副幫一側(cè)松動(dòng)圈范圍在1.65 m以內(nèi),正幫一側(cè)松動(dòng)圈范圍在1.45 m以內(nèi),頂板松動(dòng)圈在1.50 m以內(nèi)。

2)在距巷道開口400 m處,副幫一側(cè)松動(dòng)圈范圍在1.65 m以內(nèi),正幫一側(cè)松動(dòng)圈范圍在0.65 m以內(nèi),頂板松動(dòng)圈在1.25 m以內(nèi)。

3)在距巷道開口612 m處,副幫一側(cè)松動(dòng)圈范圍在1.65 m以內(nèi),正幫一側(cè)松動(dòng)圈范圍在1.25 m以內(nèi),頂板松動(dòng)圈在1.25 m范圍以上。

巷道副幫松動(dòng)范圍最大,且淺部破碎最明顯,其主要原因是采用玻璃鋼錨桿,其最大預(yù)應(yīng)力僅僅為40 N·m,不能很好地控制淺部圍巖變形。頂板的松動(dòng)范圍基本穩(wěn)定,這與其施工工具、工藝比較穩(wěn)定有關(guān)。正幫的松動(dòng)范圍最大1.65 m,最小0.65 m,其原因與地質(zhì)條件和兩幫施工工具的預(yù)應(yīng)力施加局限有關(guān),目前支護(hù)條件下松動(dòng)范圍最大1.65 m。同時(shí),松動(dòng)范圍的變化也表明改進(jìn)兩幫施工條件及工藝參數(shù)存在減小松動(dòng)圈范圍的可能。