通顺煤矿02179工作面松动圈卸压范围研究

孙纯亮，刘爽

（山西省大同煤业集团金庄煤业有限公司，山西大同 137000）

通顺煤矿02179工作面松动圈卸压范围研究

孙纯亮，刘爽

（山西省大同煤业集团金庄煤业有限公司，山西大同 137000）

以通顺煤矿02179工作面为工程背景，经过合理的钻孔布置，采用单孔超声波测试方法对围岩松动圈范围进行了观测；并对观测数据进行了分析研究，确定了围岩松动圈范围；最后通过现场试验进一步确定了该条件下的围岩松动破坏范围。研究结果表明，单孔超声波测试方法能够快速准确地测试巷道围岩松动圈范围，具有较好的实用性和优越性。

单孔超声波围岩松动范围现场试验钻孔布置

围岩松动圈支护理论建立在对围岩结构进行实测的基础上，可以真实反映出各种地质因素对围岩结构的影响，是指导锚杆支护参数设计的有效理论依据[1-2]。实践证明，松动圈的大小与巷道支护方式的选择密切相关。本文以通顺煤矿为工程研究对象，根据围岩松动圈支护理论和现场测试结果对02179工作面的松动圈进行了分析研究，得出了该工作面松动圈的卸压范围。

1 试验工作面概况

02179工作面开采的煤层为2号煤层（大煤）。工作面标高为-444～-504m。该工作面内煤层煤质较好，硬度中等，煤质为贫煤。煤层厚度在2.63～3.42m之间，平均厚度为3.0m。工作面走向长度为200m，倾斜长度为110m，工业储量为21.20万t，按80%的回采率计算，可采储量为16.96万t，工作面服务年限为6.1个月。采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化采煤工艺。

2 单孔声波法确定卸压区范围

2.1 试验原理

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上升[3]。如果围岩中集中应力值小于下降后的围岩强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定；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卸压区[4-5]。把这个由于应力作用产生的卸压区称为围岩松动圈，见图1。巷道围岩松动圈是巷道围岩应力超过其强度，在以巷道轴线为中心的一个近似圆形范围内致使岩石裂隙充分发育甚至破坏的区域[4-5]。

单孔声波法测试松动圈大小的原理大致如下：当超声波在岩体中传播时，其传播速度会在遇到岩体中不同力学性质的不连续面时，随着能量的突然衰减而降低[6-8]。因此，通过测试超声波在巷道围岩内不同区段的传播速度，根据波速的变化规律就可以判定围岩的松动圈范围[9]。单孔声波测试法是以人工激振的方式向巷道围岩体中发射声波，再在一定的距离内上接收该声波，并同时记录下从发射到接受所用的时间，通过数据处理即可得到声波在不同区段内的传播速度，见图2。单孔声波检测仪是将发、收换能器置于同一钻孔中，发射换能器F一般采用圆形压电陶瓷发射声波脉冲，被换能器S1和S2接收[10]。

换能器F与S1、S2之间距离的确定应以使沿孔壁传播的波比沿孔中水传播的波先到达S1和S2为标准。将声波从F发射到达S1、S2的时间分别记为t1、t2，BC段声波速度Vp可按以下公式计算：

式中：Vp为岩体声波速度，m/s；ΔL为S1、S2两个接收换能器间的距离，m；t1、t2为发射换能器分别到达S1、S2接收换能器的时间，us。当检测点位于两个接收换能器之间，且保持检测点间距等于两个接收换能器之间的距离时，便可获得声波速度在钻孔不同深度处的曲线，或可根据接收换能器S1传播到S2的时间的大小，均可判断围岩体内松动圈的范围。

本次试验采用煤炭科学研究总院沈阳研究院生产的CLC1000-Z型超声波围岩裂隙探测仪。探测仪参数：工作电压6VDC；工作电流≤330mA；探头段长0.4m；探杆总长6.0m。

2.2 试验步骤

1）采用42mm钻头用风钻向煤壁内施工钻孔，开口位置为1.5m，倾角14°，深6.0m；

2）利用压风将孔内煤渣吹出；

3）将探头放入孔内并用测杆送至孔底。测杆之间用螺纹连接，旋转时应握住孔内一侧的测杆，旋转外侧的测杆，防止已进入孔内的测杆之间的连接松动；

4）向孔内灌满水。考虑到裂隙渗水等，可采用连续注水、补充损失的水量；

5）启动仪器开始读数，记录每个测试点超声波从发射换能器F分别到达接收换能器S1和S2的时间，最后计算出超声波从换能器S1传播到S2的时间。然后将探头向外拉动20 cm，重复上述过程，直至孔口。

2.3 试验结果分析

在02179工作面回风巷距离开切眼6.0m、12.0m、18.0m、24.0m和30.0m处分别布置测试孔，试验结果见图3。

1）由1号孔松动圈试验结果可知，在距孔底距离超过2.8m范围内超声波走时测试曲线起伏较大，此范围超声波的走时明显有增大的趋势，超声波从换能器S1传播至S2的平均走时为137 us，计算求得平均波速为2 819m/s，波速较小说明煤体较破碎，裂隙较发育，在距孔底距离小于2.8m范围，超声波从换能器S1传播至S2的平均走时为127 us，计算得平均波速为3 149m/s，波速较稳定，所以从1号测试孔得出卸压区的范围为0～3.2m。

2）由2号孔松动圈试验结果可知，超声波距孔底不同距离的走时测试曲线起伏较大，计算得全孔平均波速为3 008m/s，其中在距孔底小于3.2m范围内的平均波速为3 149m/s，在距孔底超过3.2m范围内的平均波速为2 898m/s，说明此范围煤体较破裂，裂隙较发育，所以从2号测试孔得出卸压区的范围为0～2.8m。

3）由3号孔松动圈试验结果可知，在距孔底超过2.4m范围内，超声波在不同测试点走时呈增大趋势，说明此范围波速较小，裂隙较发育，计算求得平均波速为2 898m/s，在距孔底小于2.4m范围内，超声波在不同测试点的走时变化较小，说明此范围煤体较完整，计算求得平均波速为3 200m/s，所以从3号测试孔得出卸压区的范围为0～3.6m。

4）由4号孔松动圈试验结果可知，在距孔底超过3.6m范围内，超声波在不同测试点的走时明显增加，煤体较破碎，计算求得平均波速为2 797m/s，在距孔底小于3.6m范围内，超声波在不同测试点的走时较稳定，煤体较完整，计算求得平均波速为3 076m/s，所以从4号测试孔得出卸压区的范围为0～2.4m。

5）由5号孔松动圈试验结果可知，在距孔底超过3m范围内，超声波在不同测试点的走时明显增加，煤体较破碎，计算求得平均波速为2 895m/s，在距孔底小于3m范围内，超声波在不同测试点的走时较稳定，煤体较完整，计算求得平均波速为3 254m/s，所以从5号测试孔得出卸压区的范围为0～3m。

3 结论

在理论分析和现场试验的方法对煤巷开挖引起的两帮的卸压区、应力集中区和原始应力区进行了计算和实测，为现场的瓦斯抽采钻孔的合理位置的确实提供了依据，可得出以下结论：

1）在02179工作面回风巷分别布置了5个下行测试孔，并采用单孔声波法对卸压区进行了测试，5个测试孔卸压区的范围分别为0～3.2m，0～2.8m，0～3.6m，0～2.4m，0～3m，最大卸压区深度3.6m。

2）根据确定的卸压区范围，现场施工过程中以此作为参照进行钻孔布置，大大减少了现场实测的劳动量，节省支护成本，并避免了危险性较大的工作。

3）运用超声波测试技术来确定地下巷道围岩松动圈的大小，具有快捷、方便的优点，再加上理论分析和计算可以较准确地确定出巷道围岩松动圈范围。在通顺煤矿应用单孔声波技术显示出了较好的实用性和优越性。

[1]杨胜利，王进学，张鹏，等.基于围岩松动圈理论的锚杆支护技术研究[J].金属矿山，2010(6):4-47.

[2]董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M].北京:煤炭工业出版社，2001.

[3]刘刚.矩形巷道围岩松动圈分布规律研究[D].徐州:中国矿业大学,2000.

[4]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2000.

[5]高文学.岩石动态响应特性及损伤模型研究[D].北京：北京理工大学，1999.

[6]叶洲元.软岩巷道爆破动载松动圈扩展的数值模拟[D].武汉：武汉科技大学，2003.

[7]王学滨，潘一山，李英杰.围压对巷道围岩应力分布及松动圈的影响[J].地下空间与工程学报，2006，2(6):80-84.

[8]李宁，段小强，陈方方，等.围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索[J].岩石力学与工程学报，2006，25(7):12-17.

[9]郭天福，腾文虎．基于松动圈围岩支护理论的软岩巷道返修锚网支护设计[J].矿业安全与环保，2009，36(S1):155-158.

[10]靖洪文，李元海.钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践[J].中国矿业大学学报,2009,38(5):43-47.

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

（编辑：刘新光）

2015-07-17

孙纯亮（1987-），男，黑龙江绥化人，大学本科，从事矿井设计及软岩支护方面的研究。