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）

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)過合理的鉆孔布置，采用單孔超聲波測試方法對圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行了觀測；并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，確定了圍巖松動(dòng)圈范圍；最后通過現(xiàn)場試驗(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，單孔超聲波測試方法能夠快速準(zhǔn)確地測試巷道圍巖松動(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)場試驗(yàn)鉆孔布置

圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論建立在對圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測的基礎(chǔ)上，可以真實(shí)反映出各種地質(zhì)因素對圍巖結(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象，根據(jù)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論和現(xiàn)場測試結(jié)果對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工作面開采的煤層為2號煤層（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。工作面走向長度為200m，傾斜長度為110m，工業(yè)儲量為21.20萬t，按80%的回采率計(jì)算，可采儲量為16.96萬t，工作面服務(wù)年限為6.1個(gè)月。采用走向長壁后退式采煤法，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，見圖1。巷道圍巖松動(dòng)圈是巷道圍巖應(yīng)力超過其強(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，通過測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，見圖2。單孔聲波檢測儀是將發(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)檢測點(diǎn)位于兩個(gè)接收換能器之間，且保持檢測點(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)研究總院沈陽研究院生產(chǎn)的CLC1000-Z型超聲波圍巖裂隙探測儀。探測儀參數(shù)：工作電壓6VDC；工作電流≤330mA；探頭段長0.4m；探桿總長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)并用測桿送至孔底。測桿之間用螺紋連接，旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)握住孔內(nèi)一側(cè)的測桿，旋轉(zhuǎn)外側(cè)的測桿，防止已進(jìn)入孔內(nèi)的測桿之間的連接松動(dòng)；

4）向孔內(nèi)灌滿水?？紤]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)儀器開始讀數(shù)，記錄每個(gè)測試點(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)巷距離開切眼6.0m、12.0m、18.0m、24.0m和30.0m處分別布置測試孔，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

1）由1號孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底距離超過2.8m范圍內(nèi)超聲波走時(shí)測試曲線起伏較大，此范圍超聲波的走時(shí)明顯有增大的趨勢，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號測試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～3.2m。

2）由2號孔松動(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3.2m范圍內(nèi)的平均波速為2 898m/s，說明此范圍煤體較破裂，裂隙較發(fā)育，所以從2號測試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～2.8m。

3）由3號孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底超過2.4m范圍內(nèi)，超聲波在不同測試點(diǎn)走時(shí)呈增大趨勢，說明此范圍波速較小，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)，超聲波在不同測試點(diǎn)的走時(shí)變化較小，說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號測試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～3.6m。

4）由4號孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底超過3.6m范圍內(nèi)，超聲波在不同測試點(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號測試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～2.4m。

5）由5號孔松動(dòng)圈試驗(yàn)結(jié)果可知，在距孔底超過3m范圍內(nèi)，超聲波在不同測試點(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號測試孔得出卸壓區(qū)的范圍為0～3m。

3 結(jié)論

在理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對煤巷開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，為現(xiàn)場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)下行測試孔，并采用單孔聲波法對卸壓區(qū)進(jìn)行了測試，5個(gè)測試孔卸壓區(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)場施工過程中以此作為參照進(jìn)行鉆孔布置，大大減少了現(xiàn)場實(shí)測的勞動(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)用超聲波測試技術(shù)來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。

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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。