＊雍明超 王震 婁芳 金士魁 程圓媛 殷紫妤

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學研究所 新疆 830091）

巷道原巖應力的測量數(shù)據(jù)以及巷道圍巖松動圈形狀和范圍，是煤礦開采與巷道支護的主要依據(jù)[1]。我國在地應力和圍巖松動圈測量的問題上已經(jīng)有了許多研究成果。白金朋、彭華、馬秀敏等，對傳統(tǒng)的地應力解除儀進行改進，將應井下空心包體應變計、井上應變儀、電子羅盤等結合為一個整體，實測證明適用于深孔三維地應力測量[2]。薛維培、姚直書、經(jīng)來旺等采用應力解除法對煤礦巷道進行地應力測試，并提出U型鋼支架+槽鋼+錨桿的支護補強方式[3]。目前，研究較為成熟的兩種地應力測試方法：應力解除法和水壓致裂法（也是國際巖石力學學會2003年推薦的兩種方法）。

新疆艾維爾溝礦區(qū)9號煤層[4]平均厚度1.06m，可采厚度平均0.93m，平均傾角18°～32°，為大部分可采的較穩(wěn)定的煤層。煤層頂板以中砂巖為主，底板以粉砂巖為主。

以新疆艾維爾溝礦區(qū)9號煤層+2020水平回風石門、行人平巷及回風聯(lián)絡巷為背景，采用KX-02型空芯包體應力解除法地應力測試系統(tǒng)并聯(lián)合CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀，進行地應力分布和圍巖松動圈范圍測試，并根據(jù)測試結果，對新疆艾維爾溝礦區(qū)9號煤層巷道支護設計提供指導。

1.地應力測試

(1)空芯包體應力解除法原理

空芯包體應力解除法是將一段巖石通過取芯（套芯技術）從周圍巖體施加給它的應力場內(nèi)隔離開來的方法[5]。一般情況下，地應力的六個應力（σx、σy、σz、τxy、τzx、τyz）分量是非零的（如圖1所示）。因此通過擾動（通常的方法是打鉆開孔）的實測方法，打破原有狀態(tài)，從一種平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)的過程，是通過對應力效應的間接測量來實現(xiàn)。

(2)KX-02型空芯包體應變式傳感器

KX-02型空芯包體三軸地應力計可以在單孔中通過一次套心得到該點的三維應力狀態(tài)，使用方便、安裝操作簡單、成本低、效率高，故本次地應力測試采用KX-02型空芯包體應力解除法地應力測試系統(tǒng)。設備主要由微型應變儀、傳感器、率定儀、定向儀等部件組成（如圖2所示）。傳感器內(nèi)的測量元件可以記錄孔壁上一點的應變變化，應變數(shù)據(jù)通過連接導線傳輸?shù)轿⑿蛻儍x。改進的微型應變儀可以自動采集并存儲應變、溫度等數(shù)據(jù)，同時還可以記錄解除過程應變曲線、監(jiān)測儀器工作狀態(tài)并判斷數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 KX-02型地應力測試系統(tǒng)硬件構成

空心包體式鉆孔應變計中應變片布置方式（如圖3所示），共設置有A、B、C三組應變花，沿筒周相隔120°排列。每組應變花含有4個應變片，與軸向夾角分別為0°、45°、90°、120°，當然也可以根據(jù)需要采用其它分布型式[6]。

圖3 傳感器應變片分布

(3)現(xiàn)場實測與數(shù)據(jù)處理

①測點選擇。經(jīng)過對現(xiàn)場采掘活動及地質(zhì)構造調(diào)研，結合采區(qū)巷道布置特點，選擇9號煤層+2020水平回風石門20m處作為本次地應力測試地點，測試鉆孔參數(shù)[7]（如表1所示）。

表1 新疆艾維爾溝礦區(qū)9號煤層+2020水平回風石門地應力測試鉆孔狀況

圖4 應力解除后的巖芯

②數(shù)據(jù)處理。應力解除完成后，根據(jù)應力解除過程中記錄的應變計讀數(shù)，繪出各測點的應力解除曲線（如圖5所示）。根據(jù)各個測點的應力解除曲線，得到各個應變片的穩(wěn)定應變值，作為計算地應力的最終應變值。

圖5 應力解除曲線

從圖5可見，測點的應力解除曲線變化規(guī)律分為應變漸變區(qū)、應變突變區(qū)、應變穩(wěn)定區(qū)，符合應力解除法測試地應力的原理，因此，本次地應力測試是成功的。

根據(jù)測試鉆孔的基本參數(shù)（表1）以及巖芯（中砂巖）的彈性模量和泊松比，使用中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所研發(fā)的地應力測量計算程序，得測點地應力的解算結果[7]（如表2所示）。

表2 地應力解算結果

根據(jù)表2各應力的傾角大小，最大水平主應力σHmax為5.2MPa，最小水平主應力σHmin為3.5MPa；垂直主應力σV為2.1MPa，可以判定Sigma 1為最大水平主應力σHmax，Sigma 2為最大水平主應力σHmin，Sigma 3為垂直主應力σV，應力場屬于σH型：σHmax＞σHmin＞σV，最大水平主應力約為最小水平主應力的1.5倍。

2.圍巖松動圈測試

(1)測試原理及儀器

超聲波從接收器Sa到接收器Sb的時間間隔，即為計數(shù)門開啟的時間t，兩個接收換能器的距離為s，則超聲波速度為：

式中接收器Sa到接收器Sb的間距s=140mm，t為測試時間數(shù)據(jù)，單位μs。

圖6 儀器原理

聲波方法測試松動圈原理簡單[8]，測試技術成熟，故本次測試采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀（如圖7所示）。

圖7 CT-2型超聲波圍巖裂隙探測儀

(2)現(xiàn)場實測與數(shù)據(jù)處理

①測點選擇

本次測點選擇9號煤層行人平巷及9號煤層回風聯(lián)絡巷。測孔布置如圖8所示。測試鉆孔直徑φ=42mm，深度L=2500mm，兩幫鉆孔下傾3°，頂板鉆孔垂直巖層傾向。

協(xié)方差矩陣特征值的大小反映了其對應的特征變量所包含的信息多少。將協(xié)方差矩陣的特征值降序排列，取前k個特征值對應的特征向量(kp)，這些特征向量稱為主成分，這個過程稱為降維[13]。根據(jù)特征值大于1的規(guī)則，以此來確定k的數(shù)值。PCA在分解矩陣時不單獨考慮輸出矩陣，因此用該方法提取主成分獲取的信息比PLS更充分。PCA將原始矩陣X分解為式(9)。

圖8 測孔布置

3.數(shù)據(jù)處理

(1)9號煤層行人平巷測試結果

通過對9號煤層行人平巷現(xiàn)場測試，得出鉆孔實測數(shù)據(jù)[7]。經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行整理后，對實測數(shù)據(jù)擬合得到的孔深-波速曲線，如圖9（a）～（c）。

從圖9孔深-波速曲線，可以看出，超聲波在鉆孔中傳播速度變化不一，當巖層裂隙發(fā)育時波速能量衰減，波速明顯降低，據(jù)此可判斷巷道不同部位松動巖層厚度。

圖9 9號煤層行人平巷波速-孔深擬合曲線

①巷道高幫。在鉆孔深度約0～2.1m范圍內(nèi)，超聲波以1200～2000m/s的低波速傳播；鉆孔深度達到約2.1m以后，波速迅速增加到3000m/s以上，且趨于穩(wěn)定?？梢姡锏栏邘退蓜尤穸燃s2.1m。

②巷道低幫。在鉆孔深度約0～1.8m范圍內(nèi)，超聲波以1500m/s左右的低波速傳播；鉆孔深度達到約1.8m以后，波速迅速增加到3000m/s以上，且趨于穩(wěn)定。可見，巷道低幫松動圈厚度約1.8m。

③巷道頂板。由于頂板為巖層，致密性較好，波速傳播速度普遍高于煤層。在鉆孔深度約0～1.8m范圍內(nèi)，超聲波以2250m/s左右的低波速傳播；鉆孔深度達到約1.8m以后，波速迅速增加到3000m/s以上，最后穩(wěn)定于4250m/s?？梢?，巷道頂板松動圈厚度約1.8m。

本次現(xiàn)場測試得到的9號煤層行人平巷圍巖松動圈厚度Lp=1800～2100mm，屬于大松動圈，根據(jù)圍巖松動圈分類，巷道圍巖屬于Ⅳ類，一般不穩(wěn)定圍巖。

(2)9號煤層回風聯(lián)絡巷測試結果

通過對9號煤層回風聯(lián)絡巷現(xiàn)場測試，得出鉆孔實測數(shù)據(jù)[7]。經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行整理后，對實測數(shù)據(jù)擬合得到的孔深-波速曲線，如圖10（a）～（c）。

圖10 9號煤層回風聯(lián)絡巷波速-孔深擬合曲線

②巷道下幫。在鉆孔深度約0～1.3m范圍內(nèi)，超聲波以430～900m/s左右的低波速傳播；鉆孔深度1.3～1.4m，波速呈線性增大趨勢，從430m/s迅速增大到1400m/s；鉆孔深度1.4m以上，波速趨于穩(wěn)定?？梢?，巷道下幫顯著破碎區(qū)在0～1.3m，一般破碎區(qū)為0.3～1.4m，最大圍巖松動厚度約1.4m。

③巷道頂板。由于頂板為巖層，致密性較好，波速傳播速度普遍高于煤層。在鉆孔深度約0～1.1m范圍內(nèi)，超聲波以1070～1300m/s的低波速傳播；鉆孔深度1.1～1.4m范圍，波速線性增加到3100m/s；鉆孔深度1.4m以上，波速保持在3000～4500m/s之間?？梢姡锏理敯屣@著破碎區(qū)在0～1.1m，一般破碎區(qū)為1.1～1.4m，最大圍巖松動厚度約1.4m。

本次現(xiàn)場測試得到的9號煤層回風聯(lián)絡巷圍巖松動圈厚度Lp=1300～1400mm，屬于中松動圈，根據(jù)圍巖松動圈分類，巷道圍巖屬于Ⅲ類、一般圍巖。

4.結論

通過對新疆艾維爾溝礦區(qū)9號煤層+2020水平回風石門、行人平巷及回風聯(lián)絡巷，進行的地應力測量和圍巖松動圈范圍測試并結合煤體結構分析可得到如下結論：

本次現(xiàn)場實測得到新疆艾維爾溝礦區(qū)9號煤層+2020水平回風石門，根據(jù)地應力判斷標準，該區(qū)屬于低應力區(qū)，水平構造應力對巷道的影響具有明顯的方向性。巷道設計盡量避免與最大水平主應力垂直；對于已經(jīng)掘出的巷道，要根據(jù)最大水平主應力方向采取相應的加強支護措施，保證巷道和采場的安全。

本次圍巖松動圈測試是在巷道未受工作面采動影響條件下進行的，當工作面回采時，采場超前支承壓力會加劇巷道變形破壞，可能增大圍巖松動圈厚度，建議工作面回采過程，加強采場礦壓監(jiān)測，并根據(jù)超前支承壓力影響范圍及時調(diào)整超前支護距離，減小超前支承壓力對巷道穩(wěn)定性的影響。

9號煤層頂?shù)装鍘r層中存在一定厚度的炭質(zhì)泥巖軟弱夾層，軟弱夾層發(fā)育有大量裂隙，且泥巖軟弱夾層更易與礦井裂隙水發(fā)生各類反應，進而使軟弱夾層自身力學性質(zhì)弱化或改變，從而成為巷道圍巖結構中最為薄弱和非常難處理的環(huán)節(jié)。建議巷道支護設計時要：（1）增強錨桿預緊力及時錨固和加載；（2）適當增加錨桿、錨索長度和密度；（3）安裝底角錨桿減少巷道底鼓量。