榆家梁煤矿巷道围岩松动圈测试技术及应用

榆家梁煤矿巷道围岩松动圈测试技术及应用
摘要:基于榆家梁煤矿现场条件,介绍了松动圈的测试原理、测试方法及测试过程,通过测试得出了围岩合理的松动圈范围,为确定合理锚杆支护参数提供了依据,为相似条件巷道的松动圈测试提供了实践经验。

并介绍了控制松动圈厚度的方法,对井下支护设计具有借鉴意义。

关键词:围岩;松动圈;巷道;锚杆支护
巷道开挖后,围岩受力状态由三向变成了近似两向,造成岩石强度较大幅度地下降。

如果围岩中集中应力值小于下降后的岩石强度,则围岩处于弹塑性状态,且围岩自行稳定,不存在支护问题;反之围岩将发生破坏,这种破坏从周边逐渐向深部扩展,直至达到新的三向应力平衡状态为止,此时围岩中出现了一个破裂带。

把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈,如图1。

图一
围岩松动圈是巷道开挖后地应力超过围岩强度的结果,因此松动圈理论认为,支护的作用就是限制围岩松动圈中碎胀力所造成的有害变形。

掌握巷道松动圈范围的大小及受采动影响的变化规律,对于选择恰当的巷道支护方式与参数,确定合理的工作面超前支护范围等具有重要意义。

目前各矿回采巷道多采用棚子支护或锚杆支护。

由于棚子支护是一种传统的被动支护形式,在复杂的压力状态下它必须借助其它形式的支护配合,才能确保巷道的绝对安全;因而锚杆支护已成为
解决巷道围岩承受采动支承压力的重要途径。

采用锚杆支护解决采动支承压力问题,关键是确定出巷道围岩松动圈的厚度,并加以控制。

1 测试原理
松动圈测试是应用超声波在不同介质中传播速度,来预测围岩的破坏情况。

测试物体是以弹性体为前提条件的,当煤体的尺寸较小、作用外力较小时,相应变形也较小,可以把煤体视为弹性体。

超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器,发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号,该信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播,从而携带煤体内部信息到达接收换能器,再由接收换能器把收到的振动信号转变成电信号传给声波仪,经声波仪放大处理后,显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数。

根据弹性理论,由弹性波的波动方程通过弹性力学空间问题的静力方程推导,可得出超声波纵波波速与介质的弹性参数之间的关系:
VP=E(1-μ)ρ(1-μ)(1-2μ)(1)
VS=E2ρ(1+μ)(2)
式中VP———煤体的纵波速度, m /s;
VS———煤体的横波速度, m /s;
E———煤体的弹性模量, MPa;
μ———煤体的泊松比;
ρ———煤体的密度, kg/m3。

从上式中可以看出,超声波在煤体中的传播速度与煤体的弹性模量、泊松比以及密度有关,而煤体的弹性模量、泊松比和密度与煤块自身抗压强度、密实程度直接相关,因此煤体的波速就可以间接反映煤块抗压强度以及内部破坏情况,通过回采巷道两帮不同深度处声时和波速的变化规律,可以确定巷道周围围岩的松动圈大小。

2 榆家梁矿松动圈现场测试
2·1 测试方法
榆家梁矿45204工作面回采巷道和44206工作面回采巷道围岩松动圈测试采用中国矿业大学生产的超声波无损检测分析仪。

通过对被测煤体声波参数的测试,可以对煤体内部结构进行分析,判断煤体内部破坏情况。

巷道松动圈测试采用一发一收的单孔测试传感器,发射与接收装置之间的距离为200mm。

45204工作面回采巷道和44206工作面回采巷道围岩松动圈测试采用单孔测试法。

测孔钻成后及时进行了测试,没有出现测孔变形或坍塌现象,测试前用压力水冲洗每个测孔,把测孔中的煤岩粉冲洗干净;耦合方式采用水耦合。

声波无损检测分析仪连接探头通电预热后,用推杆将探头送入孔底,然后拉动推杆将探头向外每移动10cm或20cm(由具体情况而定)读一次声时,直到孔口为止。

2·2 测点布置
基于现场条件,该测试在45204辅运巷共布置4个测站,在44206辅运巷共布置4个测站,每一个测站均布置2个测孔,分别在巷道的两帮腰线位置。

由于煤帮相对岩巷比较软,测量钻孔采用煤电钻打孔。

钻孔方位基本与巷道垂直,钻头直径43mm,孔深在4m左右。

45204辅运巷测站位置见图2, 44206辅运巷测站位置见图3。

2·3 松动圈测试结果及分析
各测孔松动圈测试结果如图4~8。

测试结果为设计及修改巷道支护提供了理论依据,根据测试结果可修改原设计参数,避免了不必要的浪费。

3 松动圈厚度的锚杆支护控制
依据松动圈测试结果巷道采用了锚杆支护,并对支护效果进行变形监测。

由监测结果知巷道顶板最大沉降量为54mm,最大沉降速率为11·8mm /d,最终沉降速率不超过0·05mm /d,平均沉降速率为1·34mm /d;两帮最大相对位移量为42mm,完全满足巷道变形要求。

目前在巷道支护的各类手段中,只有锚杆支护能适应并解决巷道在承受采动支承压力作用下的支护问题,因而松动圈厚度可以用锚杆支护进行控制。

1)锚杆支护具有良好的可缩性。

巷道在支承压力作用下将产生较大的松动圈和碎胀变形。

而锚杆支护,其尾端能随巷道表面而移动,头部也能随深部岩体的移动而位移,从而起到较好的让压作用。

2)锚杆支护具有组合作用。

在锚固力作用下锚杆穿过松动圈厚度能将薄层状
巷道顶板、破碎的顶板组合在一起,形成组合拱(梁),通过锚杆支护反力的逐渐增加使围岩的松动圈厚度逐渐减小,形成比较坚固的再生环或锚固带,并进一步压缩成“压力拱”,增强巷道的稳定性。

3)锚杆支护可以补充围岩强度。

锚杆支护对锚固范围内的松动圈围岩提供了一个径向压力,使因巷道开挖失去应力平衡的围岩达到了新的力学平衡。

4 结论
1)松动圈的测试结果是运用围岩松动圈支护理论的依据,因此在具体项目中要根据实际情况合理布置测试孔,提高测试技术,尽量使测试结果与实际相符。

2)通过榆家梁矿的工程实践,对围岩松动圈进行测试,依据测试结果采取合理控制方法可取得良好的维护效果。

3)控制松动圈厚度可以通过锚杆支护来实现。

当采用锚杆支护时,可以通过锚杆支护反力增大,使松动圈半径减小,即通过使松动圈厚度减小来解决回采巷道的支护问题。