＊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(xué)研究所 新疆 830091）

巷道原巖應(yīng)力的測(cè)量數(shù)據(jù)以及巷道圍巖松動(dòng)圈形狀和范圍，是煤礦開采與巷道支護(hù)的主要依據(jù)[1]。我國(guó)在地應(yīng)力和圍巖松動(dòng)圈測(cè)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(duì)傳統(tǒng)的地應(yīng)力解除儀進(jìn)行改進(jìn)，將應(yīng)井下空心包體應(yīng)變計(jì)、井上應(yīng)變儀、電子羅盤等結(jié)合為一個(gè)整體，實(shí)測(cè)證明適用于深孔三維地應(yīng)力測(cè)量[2]。薛維培、姚直書、經(jīng)來(lái)旺等采用應(yīng)力解除法對(duì)煤礦巷道進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，并提出U型鋼支架+槽鋼+錨桿的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方式[3]。目前，研究較為成熟的兩種地應(yīng)力測(cè)試方法：應(yīng)力解除法和水壓致裂法（也是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)2003年推薦的兩種方法）。

新疆艾維爾溝礦區(qū)9號(hào)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(hào)煤層+2020水平回風(fēng)石門、行人平巷及回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷為背景，采用KX-02型空芯包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)并聯(lián)合CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀，進(jìn)行地應(yīng)力分布和圍巖松動(dòng)圈范圍測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)新疆艾維爾溝礦區(qū)9號(hào)煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.地應(yīng)力測(cè)試

(1)空芯包體應(yīng)力解除法原理

空芯包體應(yīng)力解除法是將一段巖石通過取芯（套芯技術(shù)）從周圍巖體施加給它的應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)隔離開來(lái)的方法[5]。一般情況下，地應(yīng)力的六個(gè)應(yīng)力（σx、σy、σz、τxy、τzx、τyz）分量是非零的（如圖1所示）。因此通過擾動(dòng)（通常的方法是打鉆開孔）的實(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)力效應(yīng)的間接測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)KX-02型空芯包體應(yīng)變式傳感器

KX-02型空芯包體三軸地應(yīng)力計(jì)可以在單孔中通過一次套心得到該點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)，使用方便、安裝操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高，故本次地應(yīng)力測(cè)試采用KX-02型空芯包體應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。設(shè)備主要由微型應(yīng)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(cè)量元件可以記錄孔壁上一點(diǎn)的應(yīng)變變化，應(yīng)變數(shù)據(jù)通過連接導(dǎo)線傳輸?shù)轿⑿蛻?yīng)變儀。改進(jìn)的微型應(yīng)變儀可以自動(dòng)采集并存儲(chǔ)應(yīng)變、溫度等數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以記錄解除過程應(yīng)變曲線、監(jiān)測(cè)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(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

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

圖3 傳感器應(yīng)變片分布

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)據(jù)處理

①測(cè)點(diǎn)選擇。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采掘活動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造調(diào)研，結(jié)合采區(qū)巷道布置特點(diǎn)，選擇9號(hào)煤層+2020水平回風(fēng)石門20m處作為本次地應(yīng)力測(cè)試地點(diǎn)，測(cè)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(hào)煤層+2020水平回風(fēng)石門地應(yīng)力測(cè)試鉆孔狀況

圖4 應(yīng)力解除后的巖芯

②數(shù)據(jù)處理。應(yīng)力解除完成后，根據(jù)應(yīng)力解除過程中記錄的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)，繪出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力解除曲線（如圖5所示）。根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力解除曲線，得到各個(gè)應(yīng)變片的穩(wěn)定應(yīng)變值，作為計(jì)算地應(yīng)力的最終應(yīng)變值。

圖5 應(yīng)力解除曲線

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

根據(jù)測(cè)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(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所研發(fā)的地應(yīng)力測(cè)量計(jì)算程序，得測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力的解算結(jié)果[7]（如表2所示）。

表2 地應(yīng)力解算結(jié)果

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

2.圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

(1)測(cè)試原理及儀器

超聲波從接收器Sa到接收器Sb的時(shí)間間隔，即為計(jì)數(shù)門開啟的時(shí)間t，兩個(gè)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(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)，單位μs。

圖6 儀器原理

聲波方法測(cè)試松動(dòng)圈原理簡(jiǎn)單[8]，測(cè)試技術(shù)成熟，故本次測(cè)試采用CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀（如圖7所示）。

圖7 CT-2型超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)據(jù)處理

①測(cè)點(diǎn)選擇

本次測(cè)點(diǎn)選擇9號(hào)煤層行人平巷及9號(hào)煤層回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷。測(cè)孔布置如圖8所示。測(cè)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(duì)應(yīng)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(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量(kp)，這些特征向量稱為主成分，這個(gè)過程稱為降維[13]。根據(jù)特征值大于1的規(guī)則，以此來(lái)確定k的數(shù)值。PCA在分解矩陣時(shí)不單獨(dú)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(cè)孔布置

3.數(shù)據(jù)處理

(1)9號(hào)煤層行人平巷測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)9號(hào)煤層行人平巷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[7]。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，對(duì)實(shí)測(cè)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(dāng)巖層裂隙發(fā)育時(shí)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(dòng)巖層厚度。

圖9 9號(hào)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(dá)到約2.1m以后，波速迅速增加到3000m/s以上，且趨于穩(wěn)定?？梢?，巷道高幫松動(dòng)圈厚度約2.1m。

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(dá)到約1.8m以后，波速迅速增加到3000m/s以上，且趨于穩(wěn)定?？梢姡锏赖蛶退蓜?dòng)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(dá)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(dòng)圈厚度約1.8m。

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的9號(hào)煤層行人平巷圍巖松動(dòng)圈厚度Lp=1800～2100mm，屬于大松動(dòng)圈，根據(jù)圍巖松動(dòng)圈分類，巷道圍巖屬于Ⅳ類，一般不穩(wěn)定圍巖。

(2)9號(hào)煤層回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)9號(hào)煤層回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[7]。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的孔深-波速曲線，如圖10（a）～（c）。

圖10 9號(hào)煤層回風(fēng)聯(lián)絡(luò)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(shì)，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(dòng)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。可見，巷道頂板顯著破碎區(qū)在0～1.1m，一般破碎區(qū)為1.1～1.4m，最大圍巖松動(dòng)厚度約1.4m。

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的9號(hào)煤層回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷圍巖松動(dòng)圈厚度Lp=1300～1400mm，屬于中松動(dòng)圈，根據(jù)圍巖松動(dòng)圈分類，巷道圍巖屬于Ⅲ類、一般圍巖。

4.結(jié)論

通過對(duì)新疆艾維爾溝礦區(qū)9號(hào)煤層+2020水平回風(fēng)石門、行人平巷及回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，進(jìn)行的地應(yīng)力測(cè)量和圍巖松動(dòng)圈范圍測(cè)試并結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)分析可得到如下結(jié)論：

本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到新疆艾維爾溝礦區(qū)9號(hào)煤層+2020水平回風(fēng)石門，根據(jù)地應(yīng)力判斷標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)屬于低應(yīng)力區(qū)，水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道的影響具有明顯的方向性。巷道設(shè)計(jì)盡量避免與最大水平主應(yīng)力垂直；對(duì)于已經(jīng)掘出的巷道，要根據(jù)最大水平主應(yīng)力方向采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施，保證巷道和采場(chǎng)的安全。

本次圍巖松動(dòng)圈測(cè)試是在巷道未受工作面采動(dòng)影響條件下進(jìn)行的，當(dāng)工作面回采時(shí)，采場(chǎng)超前支承壓力會(huì)加劇巷道變形破壞，可能增大圍巖松動(dòng)圈厚度，建議工作面回采過程，加強(qiáng)采場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)，并根據(jù)超前支承壓力影響范圍及時(shí)調(diào)整超前支護(hù)距離，減小超前支承壓力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。

9號(hào)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(yīng)，進(jìn)而使軟弱夾層自身力學(xué)性質(zhì)弱化或改變，從而成為巷道圍巖結(jié)構(gòu)中最為薄弱和非常難處理的環(huán)節(jié)。建議巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要：（1）增強(qiáng)錨桿預(yù)緊力及時(shí)錨固和加載；（2）適當(dāng)增加錨桿、錨索長(zhǎng)度和密度；（3）安裝底角錨桿減少巷道底鼓量。