孫純亮，劉爽

（山西省大同煤業(yè)集團(tuán)金莊煤業(yè)有限公司，山西大同 137000）

通順煤礦02179工作面松動(dòng)圈卸壓范圍研究

孫純亮，劉爽

（山西省大同煤業(yè)集團(tuán)金莊煤業(yè)有限公司，山西大同 137000）

以通順煤礦02179工作面為工程背景，經(jīng)過(guò)合理的鉆孔布置，采用單孔超聲波測(cè)試方法對(duì)圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行了觀測(cè)；并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，確定了圍巖松動(dòng)圈范圍；最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步確定了該條件下的圍巖松動(dòng)破壞范圍。研究結(jié)果表明，單孔超聲波測(cè)試方法能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)試巷道圍巖松動(dòng)圈范圍，具有較好的實(shí)用性和優(yōu)越性。

單孔超聲波圍巖松動(dòng)范圍現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔布置

圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論建立在對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，可以真實(shí)反映出各種地質(zhì)因素對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的影響，是指導(dǎo)錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的有效理論依據(jù)[1-2]。實(shí)踐證明，松動(dòng)圈的大小與巷道支護(hù)方式的選擇密切相關(guān)。本文以通順煤礦為工程研究對(duì)象，根據(jù)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)02179工作面的松動(dòng)圈進(jìn)行了分析研究，得出了該工作面松動(dòng)圈的卸壓范圍。

1 試驗(yàn)工作面概況

02179工作面開(kāi)采的煤層為2號(hào)煤層（大煤）。工作面標(biāo)高為-444～-504m。該工作面內(nèi)煤層煤質(zhì)較好，硬度中等，煤質(zhì)為貧煤。煤層厚度在2.63～3.42m之間，平均厚度為3.0m。工作面走向長(zhǎng)度為200m，傾斜長(zhǎng)度為110m，工業(yè)儲(chǔ)量為21.20萬(wàn)t，按80%的回采率計(jì)算，可采儲(chǔ)量為16.96萬(wàn)t，工作面服務(wù)年限為6.1個(gè)月。采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝。

2 單孔聲波法確定卸壓區(qū)范圍

2.1 試驗(yàn)原理

巷道開(kāi)挖后，圍巖受力狀態(tài)由三向變成了近似兩向，造成巖石應(yīng)力較大幅度上升[3]。如果圍巖中集中應(yīng)力值小于下降后的圍巖強(qiáng)度，圍巖處于彈塑性狀態(tài)，圍巖自行穩(wěn)定；如果相反，圍巖將發(fā)生破壞，這種破壞從周邊逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)了一個(gè)卸壓區(qū)[4-5]。把這個(gè)由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的卸壓區(qū)稱為圍巖松動(dòng)圈，見(jiàn)圖1。巷道圍巖松動(dòng)圈是巷道圍巖應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度，在以巷道軸線為中心的一個(gè)近似圓形范圍內(nèi)致使巖石裂隙充分發(fā)育甚至破壞的區(qū)域[4-5]。

單孔聲波法測(cè)試松動(dòng)圈大小的原理大致如下：當(dāng)超聲波在巖體中傳播時(shí)，其傳播速度會(huì)在遇到巖體中不同力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)面時(shí)，隨著能量的突然衰減而降低[6-8]。因此，通過(guò)測(cè)試超聲波在巷道圍巖內(nèi)不同區(qū)段的傳播速度，根據(jù)波速的變化規(guī)律就可以判定圍巖的松動(dòng)圈范圍[9]。單孔聲波測(cè)試法是以人工激振的方式向巷道圍巖體中發(fā)射聲波，再在一定的距離內(nèi)上接收該聲波，并同時(shí)記錄下從發(fā)射到接受所用的時(shí)間，通過(guò)數(shù)據(jù)處理即可得到聲波在不同區(qū)段內(nèi)的傳播速度，見(jiàn)圖2。單孔聲波檢測(cè)儀是將發(fā)、收換能器置于同一鉆孔中，發(fā)射換能器F一般采用圓形壓電陶瓷發(fā)射聲波脈沖，被換能器S1和S2接收[10]。

換能器F與S1、S2之間距離的確定應(yīng)以使沿孔壁傳播的波比沿孔中水傳播的波先到達(dá)S1和S2為標(biāo)準(zhǔn)。將聲波從F發(fā)射到達(dá)S1、S2的時(shí)間分別記為t1、t2，BC段聲波速度Vp可按以下公式計(jì)算：

式中：Vp為巖體聲波速度，m/s；ΔL為S1、S2兩個(gè)接收換能器間的距離，m；t1、t2為發(fā)射換能器分別到達(dá)S1、S2接收換能器的時(shí)間，us。當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)位于兩個(gè)接收換能器之間，且保持檢測(cè)點(diǎn)間距等于兩個(gè)接收換能器之間的距離時(shí)，便可獲得聲波速度在鉆孔不同深度處的曲線，或可根據(jù)接收換能器S1傳播到S2的時(shí)間的大小，均可判斷圍巖體內(nèi)松動(dòng)圈的范圍。

本次試驗(yàn)采用煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院生產(chǎn)的CLC1000-Z型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀。探測(cè)儀參數(shù)：工作電壓6VDC；工作電流≤330mA；探頭段長(zhǎng)0.4m；探桿總長(zhǎng)6.0m。

2.2 試驗(yàn)步驟

1）采用42mm鉆頭用風(fēng)鉆向煤壁內(nèi)施工鉆孔，開(kāi)口位置為1.5m，傾角14°，深6.0m；

2）利用壓風(fēng)將孔內(nèi)煤渣吹出；

3）將探頭放入孔內(nèi)并用測(cè)桿送至孔底。測(cè)桿之間用螺紋連接，旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)握住孔內(nèi)一側(cè)的測(cè)桿，旋轉(zhuǎn)外側(cè)的測(cè)桿，防止已進(jìn)入孔內(nèi)的測(cè)桿之間的連接松動(dòng)；

4）向孔內(nèi)灌滿水。考慮到裂隙滲水等，可采用連續(xù)注水、補(bǔ)充損失的水量；

5）啟動(dòng)儀器開(kāi)始讀數(shù)，記錄每個(gè)測(cè)試點(diǎn)超聲波從發(fā)射換能器F分別到達(dá)接收換能器S1和S2的時(shí)間，最后計(jì)算出超聲波從換能器S1傳播到S2的時(shí)間。然后將探頭向外拉動(dòng)20 cm，重復(fù)上述過(guò)程，直至孔口。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在02179工作面回風(fēng)巷距離開(kāi)切眼6.0m、12.0m、18.0m、24.0m和30.0m處分別布置測(cè)試孔，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

1）由1號(hào)孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底距離超過(guò)2.8m范圍內(nèi)超聲波走時(shí)測(cè)試曲線起伏較大，此范圍超聲波的走時(shí)明顯有增大的趨勢(shì)，超聲波從換能器S1傳播至S2的平均走時(shí)為137 us，計(jì)算求得平均波速為2 819m/s，波速較小說(shuō)明煤體較破碎，裂隙較發(fā)育，在距孔底距離小于2.8m范圍，超聲波從換能器S1傳播至S2的平均走時(shí)為127 us，計(jì)算得平均波速為3 149m/s，波速較穩(wěn)定，所以從1號(hào)測(cè)試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～3.2m。

2）由2號(hào)孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，超聲波距孔底不同距離的走時(shí)測(cè)試曲線起伏較大，計(jì)算得全孔平均波速為3 008m/s，其中在距孔底小于3.2m范圍內(nèi)的平均波速為3 149m/s，在距孔底超過(guò)3.2m范圍內(nèi)的平均波速為2 898m/s，說(shuō)明此范圍煤體較破裂，裂隙較發(fā)育，所以從2號(hào)測(cè)試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～2.8m。

3）由3號(hào)孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底超過(guò)2.4m范圍內(nèi)，超聲波在不同測(cè)試點(diǎn)走時(shí)呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明此范圍波速較小，裂隙較發(fā)育，計(jì)算求得平均波速為2 898m/s，在距孔底小于2.4m范圍內(nèi)，超聲波在不同測(cè)試點(diǎn)的走時(shí)變化較小，說(shuō)明此范圍煤體較完整，計(jì)算求得平均波速為3 200m/s，所以從3號(hào)測(cè)試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～3.6m。

4）由4號(hào)孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底超過(guò)3.6m范圍內(nèi)，超聲波在不同測(cè)試點(diǎn)的走時(shí)明顯增加，煤體較破碎，計(jì)算求得平均波速為2 797m/s，在距孔底小于3.6m范圍內(nèi)，超聲波在不同測(cè)試點(diǎn)的走時(shí)較穩(wěn)定，煤體較完整，計(jì)算求得平均波速為3 076m/s，所以從4號(hào)測(cè)試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～2.4m。

5）由5號(hào)孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底超過(guò)3m范圍內(nèi)，超聲波在不同測(cè)試點(diǎn)的走時(shí)明顯增加，煤體較破碎，計(jì)算求得平均波速為2 895m/s，在距孔底小于3m范圍內(nèi)，超聲波在不同測(cè)試點(diǎn)的走時(shí)較穩(wěn)定，煤體較完整，計(jì)算求得平均波速為3 254m/s，所以從5號(hào)測(cè)試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～3m。

3 結(jié)論

在理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)煤巷開(kāi)挖引起的兩幫的卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了計(jì)算和實(shí)測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯抽采鉆孔的合理位置的確實(shí)提供了依據(jù)，可得出以下結(jié)論：

1）在02179工作面回風(fēng)巷分別布置了5個(gè)下行測(cè)試孔，并采用單孔聲波法對(duì)卸壓區(qū)進(jìn)行了測(cè)試，5個(gè)測(cè)試孔卸壓區(qū)的范圍分別為0～3.2m，0～2.8m，0～3.6m，0～2.4m，0～3m，最大卸壓區(qū)深度3.6m。

2）根據(jù)確定的卸壓區(qū)范圍，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中以此作為參照進(jìn)行鉆孔布置，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的勞動(dòng)量，節(jié)省支護(hù)成本，并避免了危險(xiǎn)性較大的工作。

3）運(yùn)用超聲波測(cè)試技術(shù)來(lái)確定地下巷道圍巖松動(dòng)圈的大小，具有快捷、方便的優(yōu)點(diǎn)，再加上理論分析和計(jì)算可以較準(zhǔn)確地確定出巷道圍巖松動(dòng)圈范圍。在通順煤礦應(yīng)用單孔聲波技術(shù)顯示出了較好的實(shí)用性和優(yōu)越性。

[1]楊勝利，王進(jìn)學(xué)，張鵬，等.基于圍巖松動(dòng)圈理論的錨桿支護(hù)技術(shù)研究[J].金屬礦山，2010(6):4-47.

[2]董方庭.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

[3]劉剛.矩形巷道圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2000.

[4]何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[5]高文學(xué).巖石動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及損傷模型研究[D].北京：北京理工大學(xué)，1999.

[6]葉洲元.軟巖巷道爆破動(dòng)載松動(dòng)圈擴(kuò)展的數(shù)值模擬[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2003.

[7]王學(xué)濱，潘一山，李英杰.圍壓對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布及松動(dòng)圈的影響[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(6):80-84.

[8]李寧，段小強(qiáng)，陳方方，等.圍巖松動(dòng)圈的彈塑性位移反分析方法探索[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(7):12-17.

[9]郭天福，騰文虎．基于松動(dòng)圈圍巖支護(hù)理論的軟巖巷道返修錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(S1):155-158.

[10]靖洪文，李元海.鉆孔攝像測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的機(jī)理與實(shí)踐[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(5):43-47.

Study on Relief Range of Loosing Zone of No.02179 Working Face in Tongshun Mine

SUN Chunliang,LIU Shuang
(Jinzhuang Coal Co.,Ltd.,Shanxi Datong Coal Mine Group,Datong 137000,China)

Taking No.02179 working face in Tongshun Mine as an engineering background,by reasonable drill-hole arrangement,ultrasonic testing with single hole was used to observe the range of loosing zone of surrounding rock.Then the observation data were analyzed to determine the range.Finally, field test was used to further determine the destruction scale in the condition.The results show that the ultrasonic testing with single hole could rapidly test the loosing zone range of the surrounding rock with ideal practicabilityand superiority.

ultrasonic testing with single hole;range of loosing zone of surrounding rock;field test; drill-hole layout

TD712.6

A

1672-5050（2015）05-0067-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.022

（編輯：劉新光）

2015-07-17

孫純亮（1987-），男，黑龍江綏化人，大學(xué)本科，從事礦井設(shè)計(jì)及軟巖支護(hù)方面的研究。