巷道围岩松动圈测试技术及应用

收稿日期:2007-09-12

作者简介:石建军(1975-),男,黑龙江五大连池人,硕士,讲师,现在中国矿业大学从事采矿工程教学和研究工

作。

巷道围岩松动圈测试技术及应用

石建军

1,2

,马念杰1,闫德忠1,秦　韵1,詹　平

1

(11中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京　100083;

21华北科技学院安全工程学院,北京　065201)

摘　要:论文基于显德汪矿跨上山开采项目,介绍了松动圈的测试原理、测试方法,测试过程等。得出了破碎巷道合理的松动圈范围,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。并介绍了控制松动圈厚度的控制方法,对井下支护设计具有借鉴意义。 关键词:破碎巷道;松动圈;支护技术 中图分类号:T D322 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2008)0320032203

M ea sure Technology for L oose C i rcle of Crush Roadway

Surround i n g Rock and Its Appli ca ti on

SH I J ian -jun

1,2

,MA N ian -jie 1,Y AN De -zhong 1,Q I N Yun 1,Z HAN Ping

1

(11School of Res ource and Safety Engineering,China University of M ining and technol ogy,Beijing 100083,China;21Safety Engineering College,North China I nstitute of Science and Technol ogy,Beijing -east Yanjiao 101601,China )

Abstract:The subject base on cr oss uphill m ine in Xian De W ang M ine of Xing Tai .The thesis intr oduced l oose circle

test p rinci p le,test means and test p r ocess .A t last,we know p r oper range of the l oose circle .It supp ly basis for

deter m ine supporting and l oose circle testing of si m ilarity r oad way .A t last thesis intr oduce the contr ol mode of l oose circle

thickness .Thesis has use for reference m ine supporting .Keywords:crush r oadway;the l oose circle;support

0　引　言

巷道开挖后,围岩受力状态由三向变成了近似两向,造成岩石应力较大幅度地上升。如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度,围岩处于弹塑性状态,围岩自行稳定,不存在支护问题;如果相反,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所示。

破碎巷道支护是煤矿支护工作中的重点,而且也是一个难点。所以破碎巷道围岩松动圈的测试更显得重要,但是现在现场测试破碎围岩松动圈有很多难题,经常导致松动圈测试结果相差甚远,甚至无法测试。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图1　理论分析松动圈示意图

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

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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　松动圈测试技术

111　测试原理

当超声波在煤岩体中传播时,要发生几何衰减和物理衰减,煤岩体中不同力学性质的结构面上,超声波要发生散射、折射和热损耗等物理现象,使得超声波能量不断衰减造成波速降低。影响超声波在围岩体中传播速度的主要因素有:围岩体矿物成分,围岩体结构构造特性,围岩体的孔隙率,围岩体所在区域的地应力,以及围岩体的含水量、温度等。因此,利用波速随围岩体裂隙发育而降低,随应力增大而加快的特性,通过测试超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度,根据波速的变化,就可以判定围岩的松动范围。

112　测试方法

目前围岩松动圈测试方法主要有声波法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法等,本测试主要采用声波法测试,所以主要介绍声波法测试围岩松动圈。

松动圈测试的主要方法为钻孔法。该方法分单孔法和双孔法。为了保证传感器与孔壁的良好接触,需要使用一些物质作为耦合剂,钻孔法通常采用水作为耦合剂。双孔法的测试方法是,在巷道内,距开采工作面不同距离,选几个有代表性的巷道位置,布置若干组钻孔,每组两个钻孔,两孔保持平行,钻孔的深度要根据所测地区的实际情况来定(深度必须大于松动圈);对于巷道两帮的钻孔一般可向下倾斜2°～3°,以便于注水后使水能够淹没传感器,而顶板的钻孔要有注水及封水装置。

声波方法测试松动圈的主要优点是测试技术成熟可靠,原理简单,仪器便宜可以重复使用。存在的主要问题是,在测试中,经常要提供风和水管,工作量较大。采用水作为声波探头与岩石孔壁的耦合媒介,对水的流量、压力和水质要求较高,实际操作困难,测试人员经常全身被水弄湿,在软岩和煤层中测试困难。一个煤矿的测试工作需要时间5～10d。

2　松动圈测试工程实践

211　测试基本条件

测试地点在河北邢台显德汪煤矿,显德汪矿可采煤层为1#、2#、9#等3层,9#煤层一采区共布置6个工作面,目前正在回采1193综放工作面。一采区上方轨道上山作为回风道,是矿井的总回风通道,对整个矿井通风至关重要,大部分区域沿4#煤层顶板野青灰岩掘进,巷道经过多次整修,变形较大,与9#煤层间距为90m。根据顶板岩层的活动规律,下方9#煤层的非充分开采或充分开采都将造成上方岩体不同程度的变形破坏,进而影响到巷道的变形和破坏程度,因此首先研究松动圈范围对采用合理加固技术至关重要。

煤体松动圈测试采用Z BL-U510超声检测仪,通过对煤体声波参数的测试,可以对煤体的力学性质变化进行分析,判断煤体塑性破坏情况。

松动圈测试采用一发一收的双孔测试传感器,发射与接收装置之间的距离为014～015m。测孔钻成后及时进行测试,测试前要用压力水冲洗测孔,把测孔中的煤岩粉冲洗干净,耦合方式采用水耦合。超声检测仪连接探头后,用推杆将探头送入孔底,然后拉动推杆将探头向外每移动20c m记录一次声时,直到孔口为止,如图2所示

。

图2　测试方法

212　测点布置

现场测点布置,原计划在1193、1195、1197工作面的上方每隔20～30m布置一组钻孔进行测试,但由于风压和巷道变形情况的变化,目前测孔均布置在三中范围。

松动圈测试布置10个测点,第一个测点距三中以下10m位置,以后每隔5m一个。每个测站在巷道的两帮腰线位置布置2个钻孔,钻孔方位要求与巷道垂直,钻头直径42mm,孔深在2～3m。测孔布置如图3所示

。

图3　煤体松动圈测站布置

测试过程中,由于上山服务年限较长,而且经过采动影响煤体力学性能发生改变,在初始进行松动圈测试时,

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