地震波法在豫新煤業圍巖松動圈深度探測中的應用

摘" 要：為精確測量圍巖松動圈范圍，并合理設計煤礦井下巷道支護方式。采用地震波法對巷道松動圈進行測試，利用地震波波速在不同應力狀態、不同巖石性質下的波速差異，確認巷道圍巖松動圈的范圍，本次在豫新煤業中采用YWZ11型地震儀進行測試，結果表明該礦在巷道開挖后，所測試的巷道的圍巖松動圈范圍在1.3～2.2 m之間。說明通過地震波法可以精確測量圍巖松動圈，相比于其他測量方法，可以對巷道圍巖情況進行快速精確測量，該方法為巷道的安全支護提供理論支持。

關鍵詞：地震波法；圍巖松動圈；巷道支護；波速差異；圍巖應力

中圖分類號：TD322.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0189-05

Abstract： In order to accurately measure the range of loose zone of surrounding rock and reasonably design the support mode of underground roadway in coal mine. The loose zone of roadway is tested by seismic wave method， and the range of loose zone of surrounding rock of roadway is confirmed by using the difference of wave velocity of seismic wave velocity under different stress states and different rock properties. YWZ11 seismograph is used in Yuxin coal industry this time. The results show that after roadway excavation， the range of surrounding rock loose zone of the tested roadway is between 1.3 m and 2.2 m. It shows that the surrounding rock loose zone can be measured accurately by seismic wave method， and compared with other measurement methods， the surrounding rock condition of roadway can be measured quickly and accurately. This method provides theoretical support for roadway safety support.

Keywords： seismic wave method; surrounding rock loose zone; roadway support; wave velocity difference; surrounding rock stress

圍巖松動圈是選擇巷道支護方案和圍巖穩定性分析的重要依據。當井下巷道進行開挖后，巖體的應力狀態從原先的三向應力狀態轉變為二向應力狀態或者單向應力狀態[1]。從應力狀態來說二向應力和單向應力狀態的穩定性遠遠低于三向應力狀態，這就導致圍巖部分位置的應力升高或降低，使得該位置出現彈塑性變形或者破壞[2]。對破壞區進行支護，使得應力達到新的平衡，此時在巷道圍巖一定范圍內形成的松散破碎帶，即松動圈。準確確定巷道圍巖松動圈可以確定巷道的支護標準，松動圈支護理論認為支護結構承擔的載荷來自于巷道圍巖松動圈所施加的碎脹力，這樣根據松動圈的深度可以設計錨桿長度等支護參數[3]。通過確定巷道圍巖松動圈對于降低支護成本、保障礦山安全具有重要意義。目前，對礦井松動圈采取的主要地球物理方法有聲波法、地質雷達法、地震波法、多點位移計法、鉆孔攝像法和電阻率法等[4-7]。由于聲波測試能量有限，且存在聲波探頭與巖壁的耦合問題，對現場施工的要求較高[8-9]；多點位移計法測試數據可靠，但測試的時間長，無法快速識別；電阻率法的優勢是可進行實時動態測量，并且相比于電磁法，不受井下復雜磁場信號干擾，但其對電極布置有較高的要求，且對探測儀器精度有更高的要求[10]。所以一般采用地質雷達法和地震波的方法進行巷道圍巖松動圈的測定。

本文采取地震波法對大黃山豫新煤業巷道圍巖松動圈進行探測，基于探測結果分析巷道松動圈分布，為礦山巷道支護參考借鑒。

1" 地震波法探測圍巖松動圈原理

地震波傳播的速度受多因素影響，對井下情況來說，不同性質的巖石，具有不同的傳播速度；對同一巖層的巖石，受巖石孔隙度、密度，受壓強度等差異，巖石的波速也會產生差異。對圍巖松動圈范圍內的巖石速度差異，由于開挖后，圍巖的應力狀態進行重新分布，根據圍巖的性質，將會發生不同的速度變化，如圖1所示的4種類型為巷道開挖后巖體的地震波速隨深度的變化。

1）如圖1（a）所示，巷道附近波速較低，隨著深度增加波速增加并出現高速區，之后逐漸接近巖體波速；從應力狀態看，表示為巷道圍巖淺層巖體松動，之后為應力集中區，最后恢復為原始應力狀態。

2）如圖1（b）所示，巷道附近波速最高，隨著深度增加速度逐漸降低，最后逐漸接近原始巖體波速；從應力狀態看，表示巖體堅硬完整，未出現松動圈，靠近圍巖處即為應力集中區。

3）如圖1（c）所示，圍巖從巷道到內波速未出現明顯變化；從應力狀態來看，巷道圍巖應力未出現明顯變化，無松動區。

4）如圖1（d）所示，巷道附近的速度低于原始波速，隨著深度增加，波速增加，最終穩定于原始巖體波速；從應力狀態看，巷道附近圍巖出現松動，且范圍較大，之后應力逐漸恢復為原始應力狀態，但未出現應力集中區。

地震波圍巖松動圈測量方法如圖2所示，對所探測的巷道選取具有代表性的巷道斷面，一般對巷道斷面的頂板、側幫位置選取5個測量點，對測量點通過風鉆進行打孔，鉆孔深度要到達原巖范圍內，測量時，在距離洞口X處進行震源激發，震源一般為銅錘或震源槍，接收裝置放置在鉆孔中，通過改變接收裝置的位置H，接收地震波數據，接收裝置一般為加速度檢波器，接收數據時需將檢波器緊貼內壁，減少震源能量損失。通過獲取地震縱波到時來判讀確定各層波速值。此方法基于地震波波速測試原理，依據層速度，結合巖石性質變化，進而分析評價松動圈范圍。通常激發點與孔口距離x近于0，結合縱波傳播時間t，和傳播路程H，可得此段平均波速V_m為V_m=H/t。根據全孔的觀測資料，可得到t-V及H-t曲線圖即垂直時距曲線圖，可得出不同直線斜率即各帶速度，由波速的變化情況即可圈定松動圈范圍。

2" 豫新煤業圍巖松動圈探測

2.1" 地質概況

大黃山豫新煤礦位于新疆阜康市大黃山，此次3個巷道情況為：+676和+730中大頂分層回采工作面煤層由東向西逐步變大，煤層厚度一般為22～26 m，平均厚度約24 m。煤層結構簡單，節理發育。+676八尺巷煤層厚度為2.5～7.9 m，平均厚度約4.5 m，煤層結構簡單，為穩定煤層。八尺巷煤層的頂板多為細砂巖、中粗砂巖。主要成分為石英、長石碎屑、泥質膠結和富含植物碎屑。煤層底板為粉砂巖、細砂巖、粗砂巖。

2.2" 觀測系統設計

本次在+676、+730和+676八尺巷測試2個斷面，共探測6個斷面，在每個斷面的頂部、上角點及巷幫呈對稱狀布置7個測孔，與水平線夾角分別為0°、25°、50°、90°、50°、25°、0°（如圖3中①—⑦）。測孔孔徑為Φ42 mm，孔深以穿過預計松動范圍之外0.5 m為宜，本次探測孔深均在5 m左右。施工布置如圖3所示。單個斷面測孔參數見表1。

2.3" 數據采集

探測所用設備為YWZ11礦用網絡地震儀配以MEMS加速度傳感器，本儀器具有采樣頻率高，可滿足超淺層地震信號采集，所配備的MEMS傳感器，具有對高頻信號響應靈敏的特點，本設備探測精度高，可以有效獲取地震波長弱信號，淺層精細探測能力尤為特出，可精準探測此次的圍巖松動圈范圍。

巷道圍巖測試時將傳感器固定在推送導桿上，送進孔內且與巖層接觸耦合。在孔口邊緣附近一固定點采用小錘激發，傳感器由孔口向孔底移動接收激發信號，步距0.2 m。現場探測地震儀器工作參數設置如下。

通道數：1道。

采樣間隔：20～50 us。

采樣頻帶：1～2 000 Hz帶通。

固定增益：54～80 dB。

采樣長度：4 096點。

超前采樣：128點。

2.4" 結果分析

根據對現場的數據進行收集，對其進行地震道集抽取、零漂校正、頻譜分析與濾波、初至拾取和波速解析等處理，得到各斷面不同段的層速度表格和松動圈范圍解析圖。

由表2和圖4可知，巷道左幫和右幫的圍巖松動圈范圍幾乎一樣，松動圈范圍在1.4～1.6 m之間，頂板處的圍巖松動圈相較于兩側范圍偏大，為2.0～2.2 m。對于+676中大頂板巷，整體的圍巖松動圈范圍為1.4～2.2 m。

由表3和圖5可知，巷道左幫和右幫的圍巖松動圈范圍在1.4～1.5 m之間，頂板處的圍巖松動圈相范圍在2.0～2.2 m之間。對于+730中大頂板巷，325 m處和650 m處的圍巖松動圈范圍差別不大，其中對于左右幫來看，325 m處的松動圈范圍小于650 m處，整體的巷道圍巖松動圈范圍為1.4～2.2 m。

由表4和圖6可知，巷道左幫和右幫的范圍在1.3～1.5 m之間，頂板處的圍巖松動圈相較于兩側范圍偏大，為1.8～2.0 m。對于+676八尺巷，整體的圍巖松動圈范圍為1.3～2.0 m。

根據地震波測試，本次的3個巷道在開挖后，整體的巷道左右幫圍巖松動圈在1.5 m左右，頂板的圍巖松動圈在2.0 m左右，3個巷道的圍巖松動圈范圍相差不大。通過對本礦3個不同的巷道進行的圍巖松動圈進行測試，可以針對巷道的不同方向，進行針對性的錨桿或者錨索加固，確保巷道圍巖的穩定性。

3" 結論

通過本次實際探測，地震波法在豫新煤業總共探測了6個斷面，現場探測條件良好，所采數據信噪比高，所得結果與本礦其他巷道的圍巖松動圈大小基本一致，說明地震波法是一種有效的探測圍巖松動圈手段，為礦井巷道設計以及支護提供了可靠的依據。在之后探測過程中，在有條件的情況下，可對所測數據的縱波和橫波數據到時進行綜合判讀，增加數據的利用效率，提高結果的解析精度。

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