煤矿巷道围岩松动圈测定

内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿巷道围岩松动圈测定
中国矿业大学（北京）
北联电能源开发有限责任公司
2009年5月
目录
一、巷道围岩松动圈概念 (1)
二、围岩松动圈测试原理 (1)
三、测试仪器 (2)
四、测试方法 (2)
五、数据分析 (3)
六、总结 (9)
一、巷道围岩松动圈概念
围岩松动圈是围岩应力对围岩作用的一种结果，是反映围岩应力岩石强度的一个综合性指标。

实践证明，松动圈的大小与巷道的稳定性及支护的难易程度密切相关。

测出松动圈的大小对选择合理的支护方式和支护参数，减少矿井维护费用，修订井巷设计，指导现场施工，都具有重要的现实意义。

自然状态下的地壳煤岩层,通常处于应力平衡状态,巷道开挖后,就改变了它的边界条件,破坏了其相对平衡状态,在巷道周围一定范围内应力将重新分布,以达到新的应力平衡。

一是切向应力增加，并产生应力集中；二是径向应力降低，巷道周边处应力达到零；三是围岩受力状态由三向变成近似二向，岩石强度降低许多，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状态，围岩可自稳，不存在巷道支护问题。

相反的，如果集中应力值等于下降后的岩石强度，围岩将发生破裂，这种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，这个破裂带称为围岩松动圈。

弹性区，塑性区，破裂区（三区）的力学行为与岩石全应力应变曲线中的相应段是对应的，其中巷道围岩弹性区，塑性区对应与全应力应变曲线峰前段弹性，塑性变形段，破裂区（围岩松动圈）对应于峰后“软化”段和“残余强度”如图1所示。

图1松动圈巷道围岩分区
1.弹性区；
2.塑性区；
3.松动圈（软化区）；
4. 松动圈（残余强度区）
在现场，可用声波仪，多点位移计或探地雷达等探测出围岩中的这个破裂带的厚度，称其为松动圈值，记为Lp。

二、围岩松动圈测试原理
基于松动圈测试的检测原理，相应的测试方法有渗流法、深基点位移计量测方法、地震声学法和超声波测试法。

其中超声波测试松动圈的主要优点是测试技术成熟可靠,原理简单, 仪器可以重复使用，因此应用较广。

当超声波在煤岩体中传播时, 要发生几何衰减和物理衰减, 煤岩体中不同力学性质的结构面上, 超声波要发生散射、折射和热损耗等物理现象, 使得超声波能量不断衰减造成波速降低。

影响超声波在围岩体中传播速度的主要因素有围岩体矿物成分, 围岩体结构构造特
性, 围岩体的孔隙率, 围岩体所在区域的地应力, 以及围岩体的含水量、温度等。

即超声波在岩体中的传播速度与裂隙程度及岩体受力状态有关，岩体整体性好，弹性波速度高，岩体裂隙发育，弹性波速度低。

因此, 利用波速随围岩体裂隙发育而降低, 随应力增大而加快的特性, 通过测试超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度, 根据波速的变化, 就可以判定围岩的松动范围。

松动圈内围岩产生了较多新的破裂缝，其声波速度相对于深部未松动破坏岩石而言要低。

超声波探测方法是通过岩石钻孔测出声波纵波速度在围岩钻孔中的分布变化的“波速(v)一孔深(l)曲线”或者“时间(t)一孔深(l)曲线”(图2)，即可判定围岩松动圈厚度。

图2 超声波测孔曲线
（a）波速(v)一孔深(l)曲线；（b）时间(t)一孔深(l)曲线
三、测试仪器
上海岩联研制了YL-LCT型松动圈测试仪（如图3）。

该仪器可自动记录传感器在声测管中的位置，自动记录预定测点的声参量及波形，并可同时对两个声测剖面进行自动检测，大幅度地提高了测试速度和测试效率。

图3 YL-LCT型松动圈测试仪
四、测试方法
松动圈测试的主要方法为钻孔法。

该方法分单孔法和双孔法。

为了保证传感器与孔壁的良好接触, 需要使用一些物质作为耦合剂, 钻孔法通常采用水作为耦合剂。

单孔法的测试方法是, 在巷道内, 距开采工作面不同距离, 选几个有代表性的巷道位置, 布置若干组钻孔,
布置一发双收换能器 钻孔的深度要根据所测地区的实际情况来定深度必须大于松动圈。

对于巷道两帮的钻孔一般可向下倾斜2至3度, 以便于注水后使水能够淹没传感器。

纵波速度是通过测定钻孔中一定距离围岩的声波传播时间计算出来。

一发双收换能器传播原理见图4。

图4一发双收换能器测试示意图
本次测试地点是高头窑煤矿主斜井至2-3煤联络巷（如图5）。

图5 松动圈测试位置图
五、数据分析
通过对主斜井至2-3煤联络巷6个测点的多次观测，获得了大量的数据。

运用配套使用的数值分析软件对所测数据处理得到如下六幅图片，该软件除了直接判定声速低于低限值
为异常外，还采用斜率法的PSD 值作为辅助异常点判据，PSD 值应按下列公式计算：
PSD =K •Δt
1
1
----=
i i ci ci z z t t K
1--=∆ci ci t t t
式中： ci t ——第i 测点声时（μs ）；
1-ci t ——第i-1 测点声时（μs ）； i z ——第i 测点深度（m ）； 1-i z ——第i-1 测点深度（m ）。

根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判定。

从图6的深度-PSD曲线可以看出钻孔深度为1.1米处，PSD值突变，而在深度-波速曲线中波速从1.1米处开始变大，在1.3米处声波的波速基本趋于稳定状态，表明距孔口1.3的位置是声波波速发生急剧衰减的转折点, 由此判定1号测点巷道煤帮松动圈的值为1.3米。

从图7的深度-PSD曲线可以看出钻孔深度为1.1米处，PSD值突变，而在深度-波速曲线中波速从1.1米处开始变大，在1.2米处声波的波速基本趋于稳定状态，表明距孔口1.2的位置是声波波速发生急剧衰减的转折点, 由此判定2号测点巷道煤帮松动圈的值为1.2米。

从图8的深度-PSD曲线可以看出钻孔深度为1.2米处，PSD值突变，而在深度-波速曲线中波速从1.2米处开始变大，在1.3米处声波的波速基本趋于稳定状态，表明距孔口1.3的位置是声波波速发生急剧衰减的转折点, 由此判定3号测点巷道煤帮松动圈的值为1.3米。

从图9的深度-PSD曲线可以看出钻孔深度为1.2米处，PSD值突变，而在深度-波速曲线中波速从1.2米处开始变大，在1.3米处声波的波速基本趋于稳定状态，表明距孔口1.3的位置是声波波速发生急剧衰减的转折点, 由此判定4号测点巷道煤帮松动圈的值为1.3米。

从图10的深度-PSD曲线可以看出钻孔深度为1.0米处，PSD值突变，而在深度-波速曲线中波速从0.9米处开始变大，在1.1米处声波的波速基本趋于稳定状态，表明距孔口1.1的位置是声波波速发生急剧衰减的转折点, 由此判定5号测点巷道煤帮松动圈的值为1.1米。

从图11的深度-PSD曲线可以看出钻孔深度为1.0米处，PSD值突变，而在深度-波速曲线中波速从1.0米处开始变大，在1.1米处声波的波速基本趋于稳定状态，表明距孔口1.1的位置是声波波速发生急剧衰减的转折点, 由此判定6号测点巷道煤帮松动圈的值为1.1米。

图6 1号测点深度-PSD和深度-波速曲线图7 2号测点深度-PSD和深度-波速曲线
图8 3号测点深度-PSD和深度-波速曲线图9 4号测点深度-PSD和深度-波速曲线
图10 5号测点深度-PSD和深度-波速曲线图11 6号测点深度-PSD和深度-波速曲线声波速度可以综合反映岩体特性，当只考虑波速时，各测点的波速见表1。

根据表1及各测点的位置可得图12和图13的曲线。

从图中可以看出，钻孔的浅部声波的波速基本趋于稳定状态，但波速较低（巷道的开挖使巷道两帮煤体风化程度、结构面和裂隙的发育程度增大），随钻孔深度的增加，波速都有跳跃的过程，跳跃之后随钻孔深度的增加波速又基本趋于稳定，但波速较高（在三维应力作用下岩体将被压缩，使节理闭合，弱面压密，孔隙率降低，从而声速增高）。

从而可以看出本次松动圈的测试的结果是符合理论与实际的。

从图12和图13中得出的松动圈值与通过图6至图11分析所得松动圈值是一致的。

如表2所示。

由表2可以看出钻孔距底板高度对巷道围岩松动圈值的影响不是很显著。

9 0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0.000.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00
钻孔深度（m）声速（k m /s )
图12主斜井至2-3煤联络巷东侧煤帮围岩松动圈声速测试曲线
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0.000.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00
波速（km/s）钻孔深度（m ）
图13主斜井至2-3煤联络巷西侧煤帮围岩松动圈声速测试曲线
六、总结
根据测试结果统计分析, 可以给出主斜井至2-3煤联络巷松动圈平均为1.22米。

钻孔距底板高度对巷道围岩松动圈值的影响不是很显著。