煤礦巷道松動(dòng)圈測(cè)試方法研究

煤礦巷道松動(dòng)圈測(cè)試方法研究

挖掘道路后，圍巖的壓力狀態(tài)從三個(gè)方向轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀跸騼蓚€(gè)方向，巖石的強(qiáng)度顯著下降。如果圍巖中集中應(yīng)力值小于下降后的巖石強(qiáng)度,則圍巖處于彈塑性狀態(tài),且圍巖自行穩(wěn)定,不存在支護(hù)問(wèn)題;反之圍巖將發(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)破裂帶。把這個(gè)由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂帶稱為圍巖松動(dòng)圈,如圖1。圍巖松動(dòng)圈是巷道開(kāi)挖后地應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度的結(jié)果,因此松動(dòng)圈理論認(rèn)為,支護(hù)的作用就是限制圍巖松動(dòng)圈中碎脹力所造成的有害變形。掌握巷道松動(dòng)圈范圍的大小及受采動(dòng)影響的變化規(guī)律,對(duì)于選擇恰當(dāng)?shù)南锏乐ёo(hù)方式與參數(shù),確定合理的工作面超前支護(hù)范圍等具有重要意義。目前各礦回采巷道多采用棚子支護(hù)或錨桿支護(hù)。由于棚子支護(hù)是一種傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)形式,在復(fù)雜的壓力狀態(tài)下,它必須借助其它形式的支護(hù)配合,才能確保巷道的絕對(duì)安全;因而錨桿支護(hù)已成為解決巷道圍巖承受采動(dòng)支承壓力的重要途徑。采用錨桿支護(hù)解決采動(dòng)支承壓力問(wèn)題,關(guān)鍵是確定出巷道圍巖松動(dòng)圈的厚度,并加以控制。1超聲波波速與介質(zhì)的振動(dòng)方程松動(dòng)圈測(cè)試是應(yīng)用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度,來(lái)預(yù)測(cè)圍巖的破壞情況。測(cè)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(hào)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(hào),該信號(hào)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,再由接收換能器把收到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳給聲波儀,經(jīng)聲波儀放大處理后,顯示出超聲波穿過(guò)煤體的聲時(shí)、波速等參數(shù)。根據(jù)彈性理論,由彈性波的波動(dòng)方程通過(guò)彈性力學(xué)空間問(wèn)題的靜力方程推導(dǎo),可得出超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系:式中VP———煤體的縱波速度,m/s;V———煤體的橫波速度,m/s;ρ———煤體的密度,kg/m3。從上式中可以看出,超聲波在煤體中的傳播速度與煤體的彈性模量、泊松比以及密度有關(guān),而煤體的彈性模量、泊松比和密度與煤塊自身抗壓強(qiáng)度、密實(shí)程度直接相關(guān),因此煤體的波速就可以間接反映煤塊抗壓強(qiáng)度以及內(nèi)部破壞情況,通過(guò)回采巷道兩幫不同深度處聲時(shí)和波速的變化規(guī)律,可以確定巷道周?chē)鷩鷰r的松動(dòng)圈大小。2榆家梁礦松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試2.1煤體內(nèi)部破壞情況分析榆家梁礦45204工作面回采巷道和44206工作面回采巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的超聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀。通過(guò)對(duì)被測(cè)煤體聲波參數(shù)的測(cè)試,可以對(duì)煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,判斷煤體內(nèi)部破壞情況。巷道松動(dòng)圈測(cè)試采用一發(fā)一收的單孔測(cè)試傳感器,發(fā)射與接收裝置之間的距離為200mm。45204工作面回采巷道和44206工作面回采巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用單孔測(cè)試法。測(cè)孔鉆成后及時(shí)進(jìn)行了測(cè)試,沒(méi)有出現(xiàn)測(cè)孔變形或坍塌現(xiàn)象,測(cè)試前用壓力水沖洗每個(gè)測(cè)孔,把測(cè)孔中的煤巖粉沖洗干凈;耦合方式采用水耦合。聲波無(wú)損檢測(cè)分析儀連接探頭通電預(yù)熱后,用推桿將探頭送入孔底,然后拉動(dòng)推桿將探頭向外每移動(dòng)10cm或20cm(由具體情況而定)讀一次聲時(shí),直到孔口為止。2.2煤幫相對(duì)巖巷測(cè)量鉆孔布置基于現(xiàn)場(chǎng)條件,該測(cè)試在45204輔運(yùn)巷共布置4個(gè)測(cè)站,在44206輔運(yùn)巷共布置4個(gè)測(cè)站,每一個(gè)測(cè)站均布置2個(gè)測(cè)孔,分別在巷道的兩幫腰線位置。由于煤幫相對(duì)巖巷比較軟,測(cè)量鉆孔采用煤電鉆打孔。鉆孔方位基本與巷道垂直,鉆頭直徑43mm,孔深在4m左右。45204輔運(yùn)巷測(cè)站位置見(jiàn)圖2,44206輔運(yùn)巷測(cè)站位置見(jiàn)圖3。2.3松動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果和分析各測(cè)孔松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果如圖4～8。測(cè)試結(jié)果為設(shè)計(jì)及修改巷道支護(hù)提供了理論依據(jù),根據(jù)測(cè)試結(jié)果可修改原設(shè)計(jì)參數(shù),避免了不必要的浪費(fèi)。3錨桿支護(hù)的作用依據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果巷道采用了錨桿支護(hù),并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。由監(jiān)測(cè)結(jié)果知巷道頂板最大沉降量為54mm,最大沉降速率為11.8mm/d,最終沉降速率不超過(guò)0.05mm/d,平均沉降速率為1.34mm/d;兩幫最大相對(duì)位移量為42mm,完全滿足巷道變形要求。目前在巷道支護(hù)的各類手段中,只有錨桿支護(hù)能適應(yīng)并解決巷道在承受采動(dòng)支承壓力作用下的支護(hù)問(wèn)題,因而松動(dòng)圈厚度可以用錨桿支護(hù)進(jìn)行控制。1)錨桿支護(hù)具有良好的可縮性。巷道在支承壓力作用下將產(chǎn)生較大的松動(dòng)圈和碎脹變形。而錨桿支護(hù),其尾端能隨巷道表面而移動(dòng),頭部也能隨深部巖體的移動(dòng)而位移,從而起到較好的讓壓作用。2)錨桿支護(hù)具有組合作用。在錨固力作用下錨桿穿過(guò)松動(dòng)圈厚度能將薄層狀巷道頂板、破碎的頂板組合在一起,形成組合拱(梁),通過(guò)錨桿支護(hù)反力的逐漸增加使圍巖的松動(dòng)圈厚度逐漸減小,形成比較堅(jiān)固的再生環(huán)或錨固帶,并進(jìn)一步壓縮成“壓力拱”,增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性。3)錨桿支護(hù)可以補(bǔ)充圍巖強(qiáng)度。錨桿支護(hù)對(duì)錨固范圍內(nèi)的松動(dòng)圈圍巖提供了一個(gè)徑向壓力,使因巷道開(kāi)挖失去應(yīng)力平衡的圍巖達(dá)到了新的力學(xué)平衡。4圍巖滑動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果分析與控制1)松動(dòng)圈的測(cè)試結(jié)果是運(yùn)用圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論的依據(jù),因此在具體項(xiàng)目中要根據(jù)實(shí)際情況合理布置測(cè)試孔,提高測(cè)試技術(shù),盡量使測(cè)試結(jié)果與實(shí)際相符。2)通過(guò)榆家梁礦的工程實(shí)踐,對(duì)圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試,依據(jù)測(cè)試結(jié)果采取合理控制方法可取得良好的