煤礦圍巖性質(zhì)研究常用的科學(xué)方法

李 飛 劉克安

（中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉 資源與安全工程學(xué)院，中國 北京 100083）

不同地理?xiàng)l件下，煤礦巷道圍巖性質(zhì)差別很大，往往在同一礦井不同采區(qū)巷道圍巖性質(zhì)也大不一樣。因此，準(zhǔn)確掌握圍巖性質(zhì)研究的科學(xué)方法至關(guān)重要。

目前，關(guān)于圍巖性質(zhì)研究主要有實(shí)驗(yàn)室測定和現(xiàn)場檢測兩種手段。本文著重討論在現(xiàn)場檢測所采用的主要科學(xué)方法。常用的主要有巷道松動(dòng)圈測試、巖層深基點(diǎn)位移監(jiān)測和巷道圍巖表面位移監(jiān)測[1-3]。

1 松動(dòng)圈測試

1.1 測試目的

回采巷道開挖后，使煤體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)得到破壞，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，巷道周邊一定的范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。巷道周邊一定范圍的煤體就會(huì)發(fā)生變形破壞，此范圍的應(yīng)力會(huì)有所降低，應(yīng)力得到釋放，圍巖將破碎產(chǎn)生裂隙從而形成松動(dòng)圈。巷道圍巖松動(dòng)圈的大小是確定支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)，是確定錨桿支護(hù)參數(shù)的重要依據(jù)，同時(shí)，也是對巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)的重要依據(jù)。

1.2 測試原理

松動(dòng)圈測試實(shí)質(zhì)上是利用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，來預(yù)測圍巖的破壞情況。測試物體是以彈性體為前提條件的，當(dāng)煤體的尺寸較小、作用外力較小時(shí)，相應(yīng)變形也較小，可以把煤體視為彈性體。超聲波是由聲波儀振蕩器產(chǎn)生的高壓電脈沖信號加在發(fā)射換能器，發(fā)射換能器受到激發(fā)產(chǎn)生瞬態(tài)的振動(dòng)信號，該振動(dòng)信號經(jīng)發(fā)射換能器與煤體之間的耦合后在巖體介質(zhì)中傳播，從而攜帶煤體內(nèi)部信息到達(dá)接收換能器，接收換能器把接收到的振動(dòng)信號再轉(zhuǎn)變成電信號傳給聲波儀，經(jīng)聲波儀放大處理后，顯示出超聲波穿過煤體的聲時(shí)、波速等參數(shù)。

1.3 測試方法及流程

在圍巖松動(dòng)圈測試采用單孔測試法，測孔鉆成后及時(shí)進(jìn)行了測試，沒有出現(xiàn)測孔變形或坍塌現(xiàn)象，測試前用壓力水沖洗每個(gè)測孔，把測孔中的煤巖粉沖洗干凈；耦合方式采用水耦合。多功能超聲波檢測分析儀連接探頭通電預(yù)熱后，用推桿將探頭放在孔口，然后推動(dòng)推桿將探頭向里每移動(dòng)10cm 讀一次聲時(shí)，直到孔口底部。

1）鉆進(jìn)測量孔：可用普通煤幫錨桿鉆機(jī)（煤電鉆）施工Φ42mm 鉆孔。鉆孔打在腰線位置，鉆孔應(yīng)有一定的下扎角，孔深一般不小于4m。

2）清孔與充水：將鉆孔內(nèi)煤粉、鉆渣清理干凈，通過測試探頭配套的可接長銅管將測試探頭送入孔底，然后將充水管送入鉆孔充水。

3）測試過程：鉆孔內(nèi)充滿水后，調(diào)整閥門，使鉆孔內(nèi)保持滿水狀態(tài)，然后緩慢均勻的拉動(dòng)可接長銅桿，拉出探頭。隨探頭拉出，每隔10cm 讀數(shù)一次。隨著鉆頭在鉆孔的位置不同，即距巷幫深度不同，由于煤體應(yīng)力水平和受到的破壞程度不同，測試儀上的讀數(shù)隨之變化。

2 深基點(diǎn)位移監(jiān)測

2.1 概況

巷道兩幫及頂板內(nèi)部相對位移是指圍巖的內(nèi)部多點(diǎn)間的位移量，內(nèi)部位移監(jiān)測的主要目的是判斷圍巖的松動(dòng)范圍，以合理選擇錨桿支護(hù)參數(shù)并為煤柱合理留設(shè)提供依據(jù)。

2.2 測試目的

為了了解頂板巖層組合情況、巖性變化、圍巖結(jié)構(gòu)以及巖石的力學(xué)性質(zhì)，研究采場礦壓與巷道錨桿、錨索支護(hù)方式及支護(hù)工藝，更準(zhǔn)確的進(jìn)行頂板級別破裂高度分級和礦山壓力研究。

3 巷道圍巖表面位移觀測

3.1 觀測目的

巷道表面相對位移是指巷道開挖一定時(shí)間內(nèi)巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬ξ灰屏俊Ｆ淠康氖桥逑锏辣砻嫖灰茣r(shí)間的變化規(guī)律，從中找出巷道圍巖移動(dòng)與支護(hù)參數(shù)之間的關(guān)系，為進(jìn)行合理支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確評估支護(hù)效果提供量化指標(biāo)。

3.2 測試方法

采用十字布點(diǎn)法，在兩幫和頂?shù)桶娴闹悬c(diǎn)安設(shè)外露端帶空的300mm 長短煤桿，在孔中穿入線繩。測量時(shí)將頂?shù)缀蛢蓭途€繩拉緊，利用鋼卷尺量4 個(gè)參數(shù)，分別計(jì)算絕對和相對移近量。

4 結(jié)論

巷道圍巖松動(dòng)圈的大小是確定支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)，是確定錨桿支護(hù)參數(shù)的重要依據(jù)；巷道兩幫及頂板內(nèi)部相對位移是指圍巖的內(nèi)部多點(diǎn)間的位移量，內(nèi)部位移監(jiān)測的主要目的是判斷圍巖的松動(dòng)范圍，以合理選擇錨桿支護(hù)參數(shù)并為煤柱合理留設(shè)提供依據(jù)；巷道圍巖表面位移為準(zhǔn)確評估支護(hù)效果提供量化指標(biāo)。

通過三種方法測試，基本可以掌握煤礦巷道圍巖性質(zhì)及其變形規(guī)律，在多數(shù)礦井合理支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案的提出過程中，起到了良好的參考作用。

［1］董方庭，宋宏偉，郭志宏，等.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994，19(1):21-31.

［2］賈后省，郭書英，王雪穎，等.巷道頂板多點(diǎn)離層監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭工程，2012(9):110-113.

［3］何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16)：2803-2813.