许德轩，方 鑫

（1.中国煤炭工业协会生产力促进中心，北京 朝阳100013；2.辽宁铁法能源公司，辽宁 铁岭112700）

松动圈探测分为地震折射层析法、高密度电阻率法、地质雷达法、多点位移计量测法和声波法[1-2]。前三种方法测试成本高，第四种方法工作量大，本次采用超声波探测技术测量[3-5]。通过测试大强煤矿松动圈范围的大小，修正了原有的锚固支护参数，使大强煤矿的支护结构形式更加科学合理，避免过度支护和支护强度不足现象的出现[6]。

1 概 况

大强煤矿井巷工程位于中生代白垩系地层中，岩性以粗砂岩、粉砂岩、砂质砾岩为主。该区煤系地层含煤段的主要岩性为泥岩、含砂泥岩、砂质泥岩、含炭泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂砾岩和煤层等。

根据室内岩石力学试验及现场工程地质条件分析，该矿区深部煤层顶底板以泥岩为主，其中顶板泥岩厚度30～50 m，底板为砂岩和泥岩互层。煤层天然强度约5 MPa，且较破碎，节理和裂隙发育。顶板泥岩天然强度约40 MPa，厚度30～50 m。底板砂泥岩互层天然强度约30 MPa，厚度15～20 m，岩体整体性差，多为层状分布。

2 大强煤矿松动圈测量

施工后，围岩应力集中使巷道周边及深部围岩破坏后产生新的应力平衡，围岩中出现一个破裂区——围岩松动圈。其外是塑性极限平衡区及弹性区[7-8]。巷道围岩松动圈的大小，直接反映了巷道围岩支护的难易程度[9]。测试仪选用4 m长度的钻杆，采用湿法打眼，以避免卡坏测试探头。

3 松动圈动态测试

松动圈动态测试选取大强煤矿-890水平轨道石门为测试巷道。

3.1 轨道石门围岩岩性及测试孔布置

大强煤矿-890水平轨道石门岩性以泥岩、砂岩、砂质泥岩为主。-890水平轨道石门共测试6个断面，每个断面3个点，断面间距为20 m。钻孔位置如图1所示。

图1 钻孔布置示意Fig.1 Drilling layout

3.2 动态测试结果

针对-890水平轨道石门6组断面分别进行了松动圈测试，经过现场实地测量，得到4组超声波传播时间-深度关系曲线。

3.2.1 1号断面测试结果

1号断面测试结果如图2所示。

图2 1号断面测试结果Fig.2 Test results of section 1

1～3号孔超声波传播时间分别在0.4、0.5、0.8 m处突然减小，因此1～3号孔的松动圈厚约0.4、0.5、0.8 m。1号断面松动圈范围约为0.4～0.8 m，右帮大于左帮。

3.2.2 2号断面测试结果

2号断面测试结果如图3所示。

图3 2号断面测试结果Fig.3 Test results of section 2

1～3号孔超声波传播时间分别在0.7、1.1、1.0 m处突然减小，因此1～3号孔的松动圈厚约0.7、1.1、1.0 m。2号断面松动圈范围为0.7～1.1 m，右帮大于左帮。

3.2.3 3号断面测试结果

3号断面测试结果如图4所示。

图4 3号断面测试结果Fig.4 Test results of Section 3

1～3号孔超声波传播时间分别在1.2、1.4、1.6 m处突然减小，因此1～3号孔的松动圈厚约1.2、1.4、1.6 m。3号断面松动圈范围为1.2～1.6 m，右帮大于左帮。

3.2.4 4号断面测试结果

4号断面测试结果如图5所示。

图5 4号断面测试结果Fig.5 Test results of section 4

1～3号孔超声波传播时间分别在2.0、2.3、2.4 m处突然减小，因此1～3号孔的松动圈厚约2.0、2.3、2.4 m。4号断面松动圈范围为2.0～2.4 m，右帮大于左帮。

3.2.5 松动圈厚度随时间和距离变化趋势

松动圈厚度随时间和距离变化趋势如图6～图7所示。

围岩变形规律呈现为典型的巷道开挖后的加速变形、近似线性的恒速变形和二次加速变形3个阶段。3段对应的时间分别为开挖后3～15 d、25～45 d、45～60 d以后。

由图6、图7可以看出，松动圈厚度在巷道开挖0～20 d时，加速增大；在开挖20～50 d时，恒速增大；在开挖55～70 d时，第二次加速增大。与围岩变形规律相一致。松动圈随时间、距离逐渐增大，最终超过300 cn的范围，因此，支护应采用以锚网喷为基础的复合支护。

图6 松动圈随施工时间变化关系曲线Fig.6 Curve of loose circle changing with construction

图7 松动圈随距迎头距离变化关系曲线Fig.7 Variation curve of loose circle with time distance from head on

4 松动圈静态测试

测试巷道不同方向对松动圈大小的影响，选取3条不同方向巷道的3个断面。

3个断面的支护方式相同，时间大体相同，围岩性质大体相同，消除了支护方式、施工时间和围岩性质等因素的影响，通过比较可以得出方向对巷道围岩松动圈的影响[10-12]。围岩性质对松动圈的影响，选取了2条平行巷道的2个断面。2个断面施工时间相同，支护方式相同，方向平行，通过比较可以得出巷道围岩的不同性质对巷道松动圈大小的影响[13]。

4.1 不同方向断面位置图

为测试巷道不同方向对松动圈大小的影响，分别选取A、B、C三个断面，3个断面分别位于不同方向的3条巷道上。不同方向断面位置如图8所示。

图8 不同方向断面位置图Fig.8 Location of sections in different directions

4.2 不同方向巷道松动圈测试结果

不同方向巷道松动圈测试结果如图9所示。

图9 不同方向巷道松动圈测试结果Fig.9 Test results of roadway loosening circle in different directions

A断面超声波传播时间在3.2 m深度之内没有突然减小，因此A断面的松动圈厚均超过了3.2 m。B断面超声波传播时间在3.0 m处突然减小，因此B断面的松动圈厚度为3.0 m。C断面超声波传播时间在2.7 m深度突然减小，因此C断面的松动圈厚度为2.7 m。

由测试结果可以看出，A断面松动圈范围最大，B断面次之，C断面最小，由此可以推断地应力主应力方向大体为东西方向。由于C断面所在的巷道与主应力方向平行，受到的构造应力影响最小，因此松动圈范围最小。A断面所在巷道与主应力方向垂直，受到的构造应力影响最大，因此松动圈范围最大。

5 结 论

（1）通过对大强煤矿-890水平轨道石门的6个断面进行松动圈测试，发现松动圈的变形规律呈现为典型的3个阶段，即巷道开挖后的加速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和二次加速变形阶段。时间分别为：加速变形阶段巷道开挖后3～15 d；恒速变形阶段25～45 d；二次加速变形阶段为巷道开挖后45～60 d以后。

（2）松动圈厚度在巷道开挖0～20 d时，加速增大；在开挖20～50 d时，恒速增大；在开挖55～70 d时，第二次加速增大。与围岩变形规律相一致。松动圈随时间、距离逐渐增大，最终超过300 cn的范围。

（3）松动圈的范围还与地应力主应力方向有关，当巷道布置与地应力主应力方向垂直时，巷道松动圈范围最大。当巷道布置与地应力主应力方向平行时，巷道松动圈范围最小。