围岩松动圈支护理论在煤巷支护设计中的应用

2014-11-20唐仁学孔令根牛智勇

中国矿业 2014年8期

于辉，唐仁学，孔令根，牛智勇

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083；2.重庆煤矿安全监察局，重庆401121）

长久以来巷道支护都是煤矿安全生产的重点问题。因此，在巷道支护理论研究方面，国内外许多学者提出多种支护理论方法，如悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论等，但是这些支护理论都是在一定的假设前提下提出的，因而都有一定的局限性[1]。而巷道围岩力学特性复杂，必须根据巷道实际围岩类型选择合理的支护理论。

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[2－3]。实践证明，松动圈的大小与巷道支护方式的选择密切相关。本文以屯兰矿为工程研究对象，根据围岩松动圈支护理论和现场测试结果，对12501运输巷道的锚杆支护方式进行了分析研究，得出了基于围岩松动圈理论的支护设计方法。

1 围岩松动圈支护理论

1.1 围岩松动圈的定义

在原岩中开挖巷道会导致周边应力和围岩强度的变化，围岩受力状态由三向变成近似二向，巷道周边径向应力消失，环向应力集中，且围岩强度明显下降。如果集中应力小于下降后的围岩强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题；反之，围岩破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现一个破裂带，称之为“围岩松动圈”[4－5]。

1.2 围岩松动圈分类

根据围岩松动圈的大小，对巷道围岩进行分类，并在此基础上提出了相应的支护机理与支护方式[6]，巷道围岩松动圈分类表如表1所示。

表1 巷道围岩松动圈分类表

对于松动圈Lp值小于0.4m的小松动圈可以采用喷混凝土支护的方式进行支护；对于松动圈Lp值在0.4～1.5cm之间的中松动圈采用的支护原理是悬吊理论；Lp＞1.5m时，形成的锚固层组合拱是锚杆支护的主要工作机理。锚杆在锚固力的作用下，将破裂了的岩石组织起来，提高其残余强度，形成一定厚度的拱状锚固层，此时可根据组合拱理论对巷道支护进行设计。

2 围岩松动圈测试技术

2.1 测试原理及仪器

从根本上讲松动圈测试是通过超声波在煤岩体钻孔内传播速度的快慢，来探测煤岩体裂隙发育程度。一般来说，超声波在煤岩体中传播时要发生几何衰减和物理衰减，但在裂隙不发育、风化程度低、密度大、弹性模量大等的煤岩体传播时，声波在微观环境即钻孔内的裂隙内的能量流失少，传播速度较快。相反，超声波在裂隙发育，破碎带多，抗压强度小等的煤岩体中传播时，声波有一大部分能量沿着微观环境即钻孔内的裂隙传播、损耗，传播速度较慢。因此，根据超声波这种在不同围岩体内传播速度不同的特性，通过超声波速度的变化规律即可确定巷道围岩的松动圈大小。

根据弹性理论，由弹性波的波动方程通过弹性力学空间问题的静力方程推导，可得出超声波纵波波速与介质的弹性参数之间的关系[7]。

式中：VP为煤体的纵波速度；VS为煤体的横波速度；E为煤体的弹性模量；Μ为煤体的泊松比。

由式（1）和式（2）可以看出VP和VS与弹性模量E呈正方向变化，与密度ρ呈反方向变化，VP与泊松比μ呈正方向变化，VS与泊松比μ呈反方向变化。同时，弹性模量E、密度ρ、泊松比μ又共同决定了煤体的力学参数，因此煤体的力学状态、破碎情况等可以通过测试超声波在在煤体中的传播速度的差异而了解到，从而根据煤体的破坏情况确定巷道的松动圈大小。

国内外测量围岩松动圈的方法很多，主要包括地震测法、电阻率法、超声波测法、孔内摄像法等[8]，各种方法均有一定的适用性。本文采用的方法是超声波测法，测试仪器选用煤炭科学研究总院生产的PHD－2型松动圈测试仪进行巷道松动圈测试，仪器采用单孔测试，超声波发射装置和接受装置前后串联布置，两装置间距为250mm。

2.2 测试方法

围岩松动圈测试的方法有双孔测试与单孔测试，本仪器采用单孔测试。钻孔钻成后需观察是否出现塌孔现象，如果没有出现塌孔须立即进行松动圈测试。松动圈测试前需用水将孔内的煤岩屑清理干净，松动圈测试采用水耦合方式测试。

1）打孔：由于受到松动圈测试设备的影响，松动圈测量孔的孔径不能小于42mm，但亦不能太大，钻孔一般应打在腰线位置，并且向下有一定的倾角（利于孔内水位的保持），孔深一般应大于3m。

2）注水：用水将孔内的煤岩屑冲洗干净后，将测试探头接到接长杆上，送入钻孔底部，然后向孔内注水，并且在松动圈测试过程中保持孔内始终充满水。

3）松动圈测试：待孔内充满水后将松动圈测试探头从孔底匀速缓慢拔出，并且每个100mm读取一次数据，在探头拔出过程中，随着周围围岩的破碎情况的不同，松动圈测试仪上的读数也会随之发生改变，根据读数变化的规律，对数据进行处理分析后即可基本确定围岩的松动圈大小。

3 工程应用

3.1 工程地质概况

屯兰煤矿位于吕梁－太行断块五台山块隆古交向斜的南部，俗称太原西山向斜。其西部为吕梁山复式背斜，东部为山西断陷盆地系中部的太原－晋中盆地。12501运输巷道位于南五盘区＋750m水平的2＃煤层。该煤层均厚为4.25m，属较稳定的厚煤层，煤层结构简单，裂隙较发育，平均倾角2.5°，最大为6°，为近水平煤层。煤层顶板以薄层状的粉砂岩和泥岩为主，并夹杂砂质泥岩互层。岩性松软，机械强度低，节理裂隙发育，属不稳定顶板；底板以碳质泥岩及砂质泥岩为主，局部为3＃煤层，富含植物根须化石，较松软，遇水易膨胀，易发生底鼓现象，为不稳定底板岩层。

3.2 围岩松动圈测试及支护参数设计

3.2.1 测试方案

根据围岩松动圈支护理论，在12501运输巷道内应用PHD－2型松动圈测试仪进行围岩松动圈范围测试。在距离回采工作面停采线120m处开始布置测试钻孔，向停采线方向共布置4个，测试钻孔间隔10m，布置在巷道顶板中线位置。钻孔参数：钻头直径43mm，孔深3m，向下倾斜4°。

3.2.2 测试结果分析

通过松动圈测试仪测得的顶板各测点波速与测试钻孔深度的关系曲线如图1所示。

图1 各测点波速－测试钻孔深度关系曲线

从图2可以看出，4个测点处测试结果比较相近，波速发生跳跃的拐点可视作松动圈边界点，根据曲线可判断出本巷道围岩松动圈厚度在1.3～1.5m之间，属于中松动圈。

3.2.3 根据松动圈范围确定围岩支护参数

按照围岩松动圈支护理论，松动圈厚度Lp值在1.3～1.5m之间属于Ⅲ类一般围岩，应按照悬吊理论设计锚杆参数。

1）锚杆长度计算（式（3））。

式中：L为锚杆长度；L1为锚入稳定岩层的深度，一般取300～400mm；LP为松动圈厚度；L3为锚杆外露长度，一般取100～150mm；K为安全系数，一般根据巷道的重要程度及服务年限，取K＝1～2.5。

取L1＝300mm；L3＝100mm；该巷道为回采巷道，服务年限较短，取K＝1.2；松动圈厚度LP取最大值1500mm；L≥300＋1.2×1500＋100＝2200mm。

2）锚杆间排距计算（式（4））。

式中：a为为锚杆间排距；Q为实测锚固力；γ为顶板岩层容重；取Q＝46.8kN；K＝1.2；γ＝26kN／m3，则：a≤1000mm。

3）锚杆强度的计算（式（5））。

只考虑不具备自稳能力的松动圈重量，按悬吊机理计算分析时，锚杆破断拉力QT见式（5）。

式中：QT为锚杆抗拉强度；B为巷道宽度；n为每排锚杆数量。

根据12501运输巷道断面尺寸，取巷道宽度B＝4.8m；根据锚杆间距及巷道宽度可取n＝6，则QT≥31.2kN。

为了增强支护结构对下部岩层的悬吊作用，将部分锚杆替换为锚索，采用锚杆锚索联合支护方式，并根据以上支护参数确定巷道顶板支护方案为：采用“锚杆＋锚索＋8＃菱形金属网＋Φ16圆钢托架”的联合支护方式。锚杆采用Φ22mm×2400mm的螺纹钢锚杆，间排距为1800mm×950mm；锚索型号为 Φ21.6mm×6300mm，间排距为 1800mm×950mm，锚杆与锚索三根三根交错布置，均打设到托架眼里。顶网采用Φ16圆钢托架加8＃菱形金属网，如图2所示。

图2 巷道支护方案图（单位：mm）

3.3 现场监测数据分析

为了检验支护效果，对巷道进行表面位移监测，通过对数据分析和处理，得到顶板和两帮围岩变形规律如图4所示。由监测结果知：顶底板最大移近量小于26mm，两帮最大移近量小于36mm。在巷道开掘后35d内，围岩变形速率较大，之后变形速率减小，围岩趋于稳定。这说明以松动圈理论为依据设计的支护方案能够有效的控制巷道围岩变形，满足巷道支护要求。