巷道围岩松动圈范围及发育规律分析

巷道围岩松动圈范围及发育规律分析
苏志毅;孙少华;苏礼
【摘要】为分析巷道掘进过程中围岩松动圈的发育过程和最大范围,采用最小二乘拟合的数学方法对观测数据进行了分析,得出:巷道掘进时,距离掘进端头10 m以外的围岩基本处于稳定状态,顶、底板和两帮松动圈的范围从大到小依次为:顶板、底板、两帮,松动圈最大值分别为:顶板4.4 m,底板3.7 m,右帮2.6 m,左帮2.5 m.分析结果对巷道掘进中的重点支护具有借鉴意义.
【期刊名称】《煤》
【年(卷),期】2017(026)008
【总页数】4页(P10-12,42)
【关键词】围岩松动圈;巷道支护;巷道掘进;最小二乘拟合
【作者】苏志毅;孙少华;苏礼
【作者单位】山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限公司,山西长治 047500;山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限公司,山西长治 047500;山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限公司,山西长治 047500
【正文语种】中文
【中图分类】TD322
巷道掘进过程中围岩松动圈的研究在我国已经取得了很多丰硕的成果[1-4]。

张拥军等[5-6]对巷道掘出后的围岩破坏范围和形状进行了深入的研究，得出巷道掘出后围岩松动圈呈现蝶形分布；康红普等[7-9]对巷道掘出后的围岩破坏范围和破坏
机理进行了大量的研究，并且针对巷道围岩破坏机理提出了相应的支护对策。

本文主要对三元石窟煤矿30031首采工作面巷道掘出后的围岩破坏松动圈范围采用现
场实测分析。

三元石窟煤矿30031工作面是首采面，工作面长147 m，巷道长度为565 m，所采煤层为3号煤层，平均厚度6 m，倾角为2～6°。

煤层结构简单，仅有一条沿井田东西方向落差1 m左右的断层，煤层上部有：0.6 m厚的泥岩伪顶，不稳定，
随采随落；10 m左右厚的直接顶，岩性为白色的细粉砂岩，中硬强度，从采空区垮落的情况分析，整体性较差；老顶约6 m左右，由深灰色的砂质泥岩组成；底
板为深灰色粉砂岩。

30031工作面运输巷道为矩形断面，巷宽4.2 m，巷高2.5 m，现采用的是锚杆锚索金属网支护，巷道顶板支护参数：锚杆D20 mm×2 400 mm，排间距900
mm×1 000 mm；锚索D15.24 mm×7 300 mm，排间距2 000 mm×2 000 mm；金属网为50 mm×50 mm的经纬金属网，规格为4.2 m×1.1 m，采用
16#铅丝进行搭接；巷道帮支护参数：锚杆D16 mm×1 500 mm，排间距900 mm×1 000 mm，金属网为50 mm×50 mm的经纬金属网，规格为2.3 m×1.1 m。

巷道掘进至128 m处，在巷道的顶底板和两帮分别打两个钻孔，共八个钻孔，其
中钻孔A和钻孔B在顶板；钻孔C和钻孔D在右帮；钻孔E和钻孔F在底板；钻孔G和钻孔H在左帮。

通过八个钻孔观测巷道掘进过程中围岩松动圈的发育过程
和最终松动圈范围。

顶底板钻孔与水平垂直，两帮钻孔与水平面平行，各个钻孔的孔深都是20 m，钻孔布置如图1所示。

在巷道掘进时每次掘出后都对巷道围岩松动圈进行观测。

观测时记录下观测位置距巷道掘进端头距离(下文简称“端头距”)，以及观测时各个钻孔的松动圈范围。

探测仪器选择武汉天宸伟业物探科技有限公司生产的TS-C1201多功能钻孔电视
成像分析仪，该仪器的主要优点包括：①同时实现全孔壁录像、成像、图片抓拍和钻孔轨迹测量；②同一探头和主机，配接不同深度的电缆，即可实现不同深度钻孔的检测，和水平孔与垂直孔的检测，无需额外配置，性价比高；③主机和探头均内置高能电池，无需外接电瓶即可连续工作10 h以上；④图像清晰，色彩鲜明。

在巷道掘进的17.2 m范围内，共进行了16次观测，得到了16组围岩松动圈的观测数据，如表1所示，分析此掘进过程中围岩松动圈的变化特征。

在分析众多数据间的线性关系时多采用最小二乘拟合的数学方法。

根据m组实测数据点(xi,yi)，(i=1,…，m)，求取自变量和因变量之间的函数表达式y=S(x)。

最小二乘拟合方法的基本原理就是最小化拟合值和实际值间的偏差平方和[10-13]。

求最小二乘解函数表达式S(x)，等价于求多元函数的极值问题。

令：
式中:ρ(xi)为权值函数；ψ(a0,a1,…an)为拟合函数的权值向量；a0,a1,…an为各个拟合系数；f(xi)为拟合目标函数；φi(x)为关于x的i次向量函数。

利用极值的必要条件
由式(2)可得：
式(3)为关于ak的n+1阶线性方程组，可以求出解ak(k=0,1,…,n)，从而得到拟合函数：
以表1中的数据为实验样本数据，采用最小二乘拟合方法对数据进行分析。

将表中的端头距视为自变量，将顶板、右帮、底板和左帮的钻孔实测数据视为因变量，分析掘进不同距离时四周的围岩松动圈范围。

顶板围岩松动圈发育过程和范围如图2所示，右帮围岩松动圈发育过程和范围如图3所示，底板围岩松动圈发育过程和范围如图4所示，左帮围岩松动圈发育过程和范围如图5所示。

从以上的四组拟合曲线可以看出，当巷道掘进过程中测点距离巷道端头距离大约为10 m的位置时围岩松动圈区域稳定，基本都接近最大围岩松动圈值。

顶板围岩松动圈的最大平均值大约是4.4 m；右帮围岩松动圈的最大平均值大约为2.6 m；底
板围岩松动圈的最大平均值大约是3.7 m；左帮围岩松动圈的最大平均值大约为2.5 m。

可以看出松动圈最大的位置出现在顶板，底板松动圈范围比顶板小，相较于两帮底板松动圈范围大。

采用最小二乘拟合的数学方法对现场观测到的巷道掘进过程中后方围岩松动圈范围进行实测分析，从分析的结果中可以看出：
1) 在巷道掘进时，距离巷道掘进端头大于10 m位置围岩活动基本处于稳定状态，围岩松动圈也趋于稳定，基本达到了最大的松动圈范围；
2) 分析得到顶底板和两帮的松动圈最大值分别为：顶板4.4 m；底板3.7 m；右
帮2.6 m；左帮2.5 m。

各个位置松动圈范围从大到小依次为：顶板、底板、两帮。