松动圈围岩分类法在煤巷锚杆支护设计中的应用

1、松动圈围岩分类法在煤巷锚杆支护设计中的应用王健1,彭小跃2(1.贵州大学矿业学院,贵州贵阳550000;2.资兴矿业集团周源山煤矿,湖南郴州423000摘要:松动圈厚度值是一个多因素综合指标的体现,利用该值进行松动圈围岩分类,有效克服了原岩应力、围岩强度、采动影响、地下水等诸多影响围岩稳定性因素难以测定的困难.因此,采用合适方法并严格按测试步骤测得的松动圈厚度值真实可靠,可作为控制围岩设计的依据.用超声波无损检测分析仪进行某矿51103工作面运输顺槽和辅运顺槽围岩松动圈测试,并以测试结果为依据进行了相应的锚杆支护设计,矿压观测表明,该支护设计方案可行.关键词:松动圈;围岩;煤巷;锚杆支护中图分

2、类号:TD326文献标识码:A文章编号:1674-5876(200901-0022-04收稿日期:2009-02-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(50674045作者简介:王健(1975-,男,贵州兴义人,工程师,研究方向:煤炭开采管理及技术.E-mail :322356736围岩分类的目的在于恰当评定巷道围岩在其所处环境条件下巷道支护的难易程度,以便更好地选择支护方式,确定支护参数.早在18世纪,人们就在采矿及各种地下工程中采用围岩稳定性分类的方法来研究支护设计问题.后来随着采矿、隧道等地下工程发展及人们对岩体物理力学性质认识的不断深入,国内外围岩稳定性分类方法也得到了迅速发展,至今

3、至少已提出5060种有影响的围岩稳定性分类方法,并在各类地下工程种得到了广泛应用.1985年由董方庭等人提出的松动圈围岩分类法及其相应的支护理论,由于松动圈厚度值是一个多因素综合指标的体现,利用该值进行松动圈围岩分类,有效克服了原岩应力、围岩强度、采动影响、地下水等诸多影响围岩稳定性因素难以测定的困难,因此,松动圈围岩分类及其相应的支护理论在煤矿巷道的支护设计得到了广泛应用,并取得了良好的现场应用效果1-4.1松动圈测试原理及方法目前围岩松动圈测试方法有多种,包括声波法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法等5,6,在上述测试方法中,由中国矿业大学生产的超声波无损检测分析仪是最

4、常用的测试仪器.用超声波无损检测分析仪进行围岩松动圈测试,实质上是应用超声波在不同介质中传播速度不同,来预测围岩的破坏情况.超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器,发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号,该振动信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播,从而携带煤体内部信息到达接收换能器,接收换能器把接收到的振动信号再转变成电信号传给声波仪,经声波仪放大处理后,显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数.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.p =E (1-(1-(1-2姨,(1s=E 姨,(2式

5、中:p :煤体的纵波速度;s :煤体的横波速度;E :煤体的弹性模量;:煤体的泊松比;:煤体的密度.从式(1和式(2可以看出,超声波在煤体中的传播速度与煤体的弹性模量、泊松比以及密度有关,而矿业工程研究Mineral Engineering Research第24卷第1期2009年3月Vol.24No.1M ar .2009测站工作面推进方向测站测站运输巷辅助运输巷测站60联巷测站测站61联巷煤体的弹性模量、泊松比和密度与煤块自身抗压强度、密实程度直接相关,因此煤体的波速就可以间接反映煤块抗压强度以及内部破坏情况,通过回采巷道两帮不同深度处声时和波速的变化规律,可以确定巷道围岩的松动圈大小.2

6、工程应用2.1现场测试为了了解某矿回采巷道的围岩破坏情况,定于在该矿51103工作面运输顺槽和辅运顺槽进行松动圈测试,并根据测试结果给出相应的支护参数.本次松动圈测试共布置6个测站,每一个测站布置2个测孔(上、下帮各一个,分别在巷道的两帮腰线位置,共计12个测孔.由于煤帮相对岩巷比较软,测量钻孔采用煤电钻打孔.钻孔方位基本与巷道垂直,钻头直径42mm ,孔深在4m 左右.测站位置见图1,测孔的具体情况及测试结果见表1.围岩松动圈测试采用单孔测试法.测孔钻成后及时进行了测试,没有出现测孔变形或坍塌现象,测试前用压力水冲洗每个测孔,把测孔中的煤岩粉冲洗干净;耦合方式采用水耦合.声波无损检测分析仪连

7、接探头通电预热后,用推杆将探头送入孔底,然后拉动推杆将探头向外每移动10cm 读一次声时,直到孔口为止.2.2锚杆支护参数设计根据以上12个测孔的测试结果分析,确定运输巷割煤帮松动范围为0.6m.运输巷与辅助运输巷之间煤柱松动范围为:靠工作面帮松动范围为0.4m ;另外一侧松动范围为0.8m.辅助运输巷距工作面较远的煤帮松动范围为0.7m.其松动范围大小关系为:煤柱的靠工作面帮松动范围(0.4m <运输巷割煤帮(0.6m <辅助运输巷距工作面较远的煤帮松动范围(0.7m <煤柱另外一帮的松动范围(0.8m .根据松动圈围岩分类法,两条巷道围岩松动范围均在40150cm 之间,

8、属于,类围岩,其相应的支护理论可采用悬吊理论设计巷道的支护参数.具体锚杆支护参数为:辅助运输巷:正帮采用16×1800mm 的A3钢锚杆,间距750mm ,负帮采用16×1600mm 玻璃钢锚杆间距为750mm 进行支护.顶板采用20×1800mm 螺纹钢锚杆,每排布置2根15.24×6500mm 的锚索,锚杆间排距分别为:1100×1200mm 、3400×2400mm.采用配套的铁托盘,并配合使用规格为500×200×50mm 的木托盘和规格为1400×5600mm 的塑料网.具体锚杆支护参数如图2所

9、示.运输巷:正帮采用16×1600mm 的A3钢锚杆,间距750mm ,负帮采用16×1600mm 玻璃钢锚杆间距为750mm ,两帮锚杆排距均为1200mm.顶板采用16×1800mm A3钢锚杆,每排布置4根锚杆,锚杆间排距为:1100×1200mm.采用配套的铁托盘,并配合使用规格为500×200×50mm 的木托盘和规格为1800×2000mm 的塑料网.具体锚杆支护参数如图1测站布置示意图Fig.1Schematic diagram of arragement of observation stations 表15

10、1103工作面运输顺槽和辅运顺槽测孔布置参数Table.1Observational holes layout parameters in conveyance roadand assistant conveyance road of 51103working face序号测站位置测点编号测点位置钻孔深度/m 钻孔直径/mm 松动圈/m 61联巷里30m 处61联巷里10m 处60联巷里6m 处61联巷里30m 处61联巷里10m 处60联巷外10m 处-1-2-1-2-1-2-1-2-1-2-1-2A B A B A B A B A B A B444444444444424242424242

11、4242424242420.50.40.60.40.30.40.80.70.50.70.70.6注:表中为了方便说明测点位置中数字A 代表巷道的靠近工作面侧的巷帮,数字B 代表同一巷道与之相对的巷帮.以下表中同此.16×1800mm A3钢锚杆3007507505001000110011001100110050030075012003300540016×1600mm 玻璃钢锚杆20×1800mm螺纹钢锚杆15.24×6500mm 螺纹钢锚杆110010003400750240012×80×4800mm钢带50020×1800

12、mm 螺纹钢锚杆15.24×6500mm锚索1400×5600mm塑料网图2辅助运输巷锚杆支护设计图Fig.2Bolt support design drawing of assistant conveyance roadway图3所示.2.3支护效果分析为了检验上述支护方案的支护效果,为了不影响对生产造成影响,在两条巷道超前工作面10m 处均设置表面位移观测站,如图4所示.观测结果如图5所示.由图5可以看出,采用上述两种支护设计方案有效地控制了辅运巷和运输巷围岩的变形,经过1个多月的观测,两帮移近量最大为182mm ,最小为152mm ;围岩顶底板移近量最大为292mm

13、,最小为180mm ,回采过程中杜绝了冒顶和片帮事故,且顶底板移近量基本上由底臌造成,底臌量占80%85%,顶板下沉量占15%20%,分析原因是由于巷道底板为砂页岩、泥岩,比较松软,易于膨胀;巷道压力大造成两帮下沉,挤压底板引起底臌.在设计中考虑到回采巷道服务时间较短,采用常规卧底方式就可以保证满足回采中对所需断面的要求.3结语由于松动圈厚度值是一个多因素综合指标的体现,并且该值是由现场实测而得没有作任何假设,所以用松动圈厚度值为依据进行围岩分类能够克服影响地下巷道围岩稳定性诸多指标难以获得的困难,所得到的围岩分类结果真实可靠,以此为依据的锚杆支护设计也满足现场实际需要.本文以现场实测结果为依

14、据,对两条煤巷进行了相应的锚杆支护设计,矿压监测结果表明,基于松动圈围岩分类法的锚杆支护设计能够满足现场要求,值得推广应用.参考文献:1朱永建,马念杰.基于松动圈围岩分类法煤帮锚杆支护设计J.煤炭科学技术,2006,34(7:30-33.ZHU Yongjian ,MA Nianjie.Design of bolt support for buttock base on surrounding rock classification method of pressure releasing zoneJ.Coal science and technology ,2006,34(7:30-33.(

15、in Chinese 2陈庆发,张世雄,王官玉,等.倾斜薄层岩体巷道围岩松动圈测试研究J.矿山压力与顶板管理,2005(2:61-63.CHENQingfa ,ZHANGShixiong ,WANGGuanyu ,et al.Research on test of sourrounding rock loosen zone of roadway in inclined thin seams J.Ground Pressureand StrataControl ,2005(2:61-63.(in Chinese 3何满潮,袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践M.北京:科学出版社,2004.HE M

16、 anchao ,YUAN Hesheng.Theory and practice of Chinese colliery bolt supportM.Beijing :Publish house of science ,2004.(in Chinese 4李锋.松动圈理论在煤巷支护设计中的应用J.煤炭技术,2008,27(5:142-143.LI Feng.Application of surrounding rock cracked range theory in mining gateway supporting design J.Coal technology ,2008,27(5:1

17、42-143.(in Chinese 5刘刚,宋宏伟.煤巷围岩松动圈规律研究J.煤炭学报,2002,(1:31-35.LIU Gang ,SONG Hongwei.Study on the distribution law of the broken rock zone around rectangular-shape coal roadway J.Journal of China Coal Society ,2002,(1:31-35.(in Chinese 6贾颖绚,宋宏伟.巷道围岩松动圈测试技术与探讨J.西部探矿工程,2004(10:940-942.JIA Yinxun ,SONG Ho

18、ngwei.Testing technology and study on broken rock zone of roadway surrounding rock J.West-China explora tionengineering ,2004(10:940-942.(in Chinese 16×1600mmA3钢锚杆300750850图3运输巷锚杆支护设计图Fig.3Bolt support design drawing of conveyance roadway75011001100110085016×1800mm A3钢锚杆16×1600mm 玻璃钢锚

19、杆300750750330050001800×2000mm塑料网120085011001100110085012×80×3700mm钢带16×1800mmA3钢锚杆ADOCBAB :顶底板相对移近量;CD :两帮相对移近量;AO :顶板相对下沉;BO :底臌相对值.图4表面位移测站布置示意图Fig.4Schematic diagram of arragement of observation stations forsurface displament图5运输巷围岩移近量、移近速度曲线Fig.5Curves of rock deformation and

20、 around conveyance roadwey25.5384652637075829096T/d 20151050501001502002503005S /mm 2/(m m /d 311234481216202428323640L /m 302520151050501001502002503003.37.512.522.02833.540.54852T/d/(m m /d 102030S /mmL /m两帮底臌顶沉顶底板(下转34页Application of ground pressure disasters micro-seismic monitoringtechnique in

21、deep level miningTANG Shaohui1,PAN Yi1,HUANG Yinghua1,JI Xuewen2(1.Safety Engineering Technology Research Center of Non-coal M ine,Changsha Institute of M ining Research,Changsha410012,China;2.Yunnan Chihong Zn&Ge CO.Ltd.,Qujing654200,ChinaAbstract:The Huize mineral field is buried in the depth

22、of1000m,and it has the high stress.The ore body exists in crush belt which is controlled by more than10faults,and the mining conditions are very complicated.According to the actual situation in mine,the authors have established digitalized24-channel micro-seismic monitoring system,and it is of seism

23、ology quantitative analysis and visualization interpretation.Using blasting to locate the accuracy of micro-seismic monitoring system for three tests,within the scope of monitoring,the source location error is the3.166.78m,and it has achieved the expected aim.On the basis of six months'monitor d

24、ata,and with the analysis of the time sequence characteristics of b value of micro-seismic events,the source stress drop parameters and the difference of cumulative potency,and so on, the time and space relationship between the mining pressure field and micro-seismic events is discovered.This paper

25、has outlined that applying first difference of cumulative potency to calculation of safety factor,and summed up the relation between safety factor and rockburst.Key words:deep well mine;micro-seismic monitoring;source location;the source stress drop parameters;b value of micro-seismic events;cumulative potency(上接24页Application of surrounding rock classification method of loosen zone in boltsupport design of coal roadwayWANG Jian1,PENG Xiaoyue2(1.School of M ining,Guizhou University,Guiyang550000,China;2.Zhouyuanshan Coal M ine,Zixing M