大強煤礦松動圈現場測試及分析

許德軒，方 鑫

（1.中國煤炭工業協會生產力促進中心，北京 朝陽100013；2.遼寧鐵法能源公司，遼寧 鐵嶺112700）

松動圈探測分為地震折射層析法、高密度電阻率法、地質雷達法、多點位移計量測法和聲波法[1-2]。前三種方法測試成本高，第四種方法工作量大，本次采用超聲波探測技術測量[3-5]。通過測試大強煤礦松動圈范圍的大小，修正了原有的錨固支護參數，使大強煤礦的支護結構形式更加科學合理，避免過度支護和支護強度不足現象的出現[6]。

1 概 況

大強煤礦井巷工程位于中生代白堊系地層中，巖性以粗砂巖、粉砂巖、砂質礫巖為主。該區煤系地層含煤段的主要巖性為泥巖、含砂泥巖、砂質泥巖、含炭泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、砂礫巖和煤層等。

根據室內巖石力學試驗及現場工程地質條件分析，該礦區深部煤層頂底板以泥巖為主，其中頂板泥巖厚度30～50 m，底板為砂巖和泥巖互層。煤層天然強度約5 MPa，且較破碎，節理和裂隙發育。頂板泥巖天然強度約40 MPa，厚度30～50 m。底板砂泥巖互層天然強度約30 MPa，厚度15～20 m，巖體整體性差，多為層狀分布。

2 大強煤礦松動圈測量

施工后，圍巖應力集中使巷道周邊及深部圍巖破壞后產生新的應力平衡，圍巖中出現一個破裂區——圍巖松動圈。其外是塑性極限平衡區及彈性區[7-8]。巷道圍巖松動圈的大小，直接反映了巷道圍巖支護的難易程度[9]。測試儀選用4 m長度的鉆桿，采用濕法打眼，以避免卡壞測試探頭。

3 松動圈動態測試

松動圈動態測試選取大強煤礦-890水平軌道石門為測試巷道。

3.1 軌道石門圍巖巖性及測試孔布置

大強煤礦-890水平軌道石門巖性以泥巖、砂巖、砂質泥巖為主。-890水平軌道石門共測試6個斷面，每個斷面3個點，斷面間距為20 m。鉆孔位置如圖1所示。

圖1 鉆孔布置示意Fig.1 Drilling layout

3.2 動態測試結果

針對-890水平軌道石門6組斷面分別進行了松動圈測試，經過現場實地測量，得到4組超聲波傳播時間-深度關系曲線。

3.2.1 1號斷面測試結果

1號斷面測試結果如圖2所示。

圖2 1號斷面測試結果Fig.2 Test results of section 1

1～3號孔超聲波傳播時間分別在0.4、0.5、0.8 m處突然減小，因此1～3號孔的松動圈厚約0.4、0.5、0.8 m。1號斷面松動圈范圍約為0.4～0.8 m，右幫大于左幫。

3.2.2 2號斷面測試結果

2號斷面測試結果如圖3所示。

圖3 2號斷面測試結果Fig.3 Test results of section 2

1～3號孔超聲波傳播時間分別在0.7、1.1、1.0 m處突然減小，因此1～3號孔的松動圈厚約0.7、1.1、1.0 m。2號斷面松動圈范圍為0.7～1.1 m，右幫大于左幫。

3.2.3 3號斷面測試結果

3號斷面測試結果如圖4所示。

圖4 3號斷面測試結果Fig.4 Test results of Section 3

1～3號孔超聲波傳播時間分別在1.2、1.4、1.6 m處突然減小，因此1～3號孔的松動圈厚約1.2、1.4、1.6 m。3號斷面松動圈范圍為1.2～1.6 m，右幫大于左幫。

3.2.4 4號斷面測試結果

4號斷面測試結果如圖5所示。

圖5 4號斷面測試結果Fig.5 Test results of section 4

1～3號孔超聲波傳播時間分別在2.0、2.3、2.4 m處突然減小，因此1～3號孔的松動圈厚約2.0、2.3、2.4 m。4號斷面松動圈范圍為2.0～2.4 m，右幫大于左幫。

3.2.5 松動圈厚度隨時間和距離變化趨勢

松動圈厚度隨時間和距離變化趨勢如圖6～圖7所示。

圍巖變形規律呈現為典型的巷道開挖后的加速變形、近似線性的恒速變形和二次加速變形3個階段。3段對應的時間分別為開挖后3～15 d、25～45 d、45～60 d以后。

由圖6、圖7可以看出，松動圈厚度在巷道開挖0～20 d時，加速增大；在開挖20～50 d時，恒速增大；在開挖55～70 d時，第二次加速增大。與圍巖變形規律相一致。松動圈隨時間、距離逐漸增大，最終超過300 cn的范圍，因此，支護應采用以錨網噴為基礎的復合支護。

圖6 松動圈隨施工時間變化關系曲線Fig.6 Curve of loose circle changing with construction

圖7 松動圈隨距迎頭距離變化關系曲線Fig.7 Variation curve of loose circle with time distance from head on

4 松動圈靜態測試

測試巷道不同方向對松動圈大小的影響，選取3條不同方向巷道的3個斷面。

3個斷面的支護方式相同，時間大體相同，圍巖性質大體相同，消除了支護方式、施工時間和圍巖性質等因素的影響，通過比較可以得出方向對巷道圍巖松動圈的影響[10-12]。圍巖性質對松動圈的影響，選取了2條平行巷道的2個斷面。2個斷面施工時間相同，支護方式相同，方向平行，通過比較可以得出巷道圍巖的不同性質對巷道松動圈大小的影響[13]。

4.1 不同方向斷面位置圖

為測試巷道不同方向對松動圈大小的影響，分別選取A、B、C三個斷面，3個斷面分別位于不同方向的3條巷道上。不同方向斷面位置如圖8所示。

圖8 不同方向斷面位置圖Fig.8 Location of sections in different directions

4.2 不同方向巷道松動圈測試結果

不同方向巷道松動圈測試結果如圖9所示。

圖9 不同方向巷道松動圈測試結果Fig.9 Test results of roadway loosening circle in different directions

A斷面超聲波傳播時間在3.2 m深度之內沒有突然減小，因此A斷面的松動圈厚均超過了3.2 m。B斷面超聲波傳播時間在3.0 m處突然減小，因此B斷面的松動圈厚度為3.0 m。C斷面超聲波傳播時間在2.7 m深度突然減小，因此C斷面的松動圈厚度為2.7 m。

由測試結果可以看出，A斷面松動圈范圍最大，B斷面次之，C斷面最小，由此可以推斷地應力主應力方向大體為東西方向。由于C斷面所在的巷道與主應力方向平行，受到的構造應力影響最小，因此松動圈范圍最小。A斷面所在巷道與主應力方向垂直，受到的構造應力影響最大，因此松動圈范圍最大。

5 結 論

（1）通過對大強煤礦-890水平軌道石門的6個斷面進行松動圈測試，發現松動圈的變形規律呈現為典型的3個階段，即巷道開挖后的加速變形階段、近似線性的恒速變形階段和二次加速變形階段。時間分別為：加速變形階段巷道開挖后3～15 d；恒速變形階段25～45 d；二次加速變形階段為巷道開挖后45～60 d以后。

（2）松動圈厚度在巷道開挖0～20 d時，加速增大；在開挖20～50 d時，恒速增大；在開挖55～70 d時，第二次加速增大。與圍巖變形規律相一致。松動圈隨時間、距離逐漸增大，最終超過300 cn的范圍。

（3）松動圈的范圍還與地應力主應力方向有關，當巷道布置與地應力主應力方向垂直時，巷道松動圈范圍最大。當巷道布置與地應力主應力方向平行時，巷道松動圈范圍最小。