基于钻孔窥视法与声波法的巷道松动圈测定

赵育云，张兴文，王 斌，王贵余，孙刘咏，惠保安，魏宗勇

(1.陕西建新煤化有限责任公司，陕西 延安 727300；2.陕西陕煤蒲白矿业公司，陕西 渭南 715517；3.西安科技大学，陕西 西安 710054)

0 引言

巷道松动圈的产生是由于原本稳定的结构在开挖之后，围岩的应力分布发生改变，当围岩的强度小于其分布应力值时，围岩发生破断形成松动圈[1]。巷道松动圈的测定对于巷道的支护参数优化、支护方案设计起到了至关重要的作用[2]。且巷道松动圈关系到瓦斯抽采钻孔深度确定，从而提高瓦斯抽采效果[3-4]。因此，无论是从安全的角度出发，还是从经济效益的角度考虑，对于松动圈的测定都非常有必要。

对于巷道松动圈范围测定的常规方法有多种。例如，点位移计量测法、地震波法、地质雷达探测法、超声波法、形变-电阻法、钻孔窥视法和渗透法等，但是在实际测定中，最常应用的是超声波法和钻孔窥视法[5-7]。对于巷道松动圈探测技术的发展历程中包含以下几个重要事件。杨永杰等[8]采用地质雷达探测了华丰矿巷道围岩松动圈，并优化了巷道围岩锚杆设计；姜德义等[9]采用地质雷达研究了地质偏压隧道围岩松动圈分布变化规律，揭示了隧道围岩破坏模式和初衬开裂原因，并提出了治理措施；蒋邦友等[10]依据探地雷达松动圈探测机理，确定了围岩松动圈范围，据此对巷道支护方案进行了优化；伍永平等[11]基于巷道围岩松动圈雷达探测结果，改进了巷道断面形状，实现了巷道围岩稳定性控制。1977年，长春煤研所研制出了用于煤矿条件的超声波围岩裂隙探测仪，至此为超声波法探测技术奠定了基础[12]；2009年，靖洪文等[13]基于数字视频、图像处理技术，研制出一款应用于松动圈探测的数字窥视仪，至此，提出了用钻孔图像中围岩裂缝的圆形度指标作为判断围岩松动圈标准的新思路。

1 巷道松动圈形成机理

巷道在进行挖掘之后，原本围岩稳定的状态会受到应力的不平衡影响，进入不稳定状态。即围岩中存在应力集中区，在该区域内围岩应力一般大于岩体强度。所以，该过程中巷道周边应力由三向应力状态转变成二向应力状态，径向力为零，导致周边区域的岩体进入破坏状态。围岩松动圈是在围岩应力重新分布过程中，在围岩应力超过围岩强度后形成的，其力学特性表现为应力和强度的降低[14]。即所谓的松动圈既是围岩的应力松弛带，如图1所示。围岩松动圈在一定程度上反映了该工作面的地质条件、围岩条件等其他参数。通过松动圈的参数，可以制定具体的支护方案、支护参数。

2 巷道松动圈测定

2.1 探测方法与测试地点选择

试验对象为陕西建新煤化有限责任公司(以下简称建新煤矿)矿井，矿井井田的地势是西南部高、东北部低，一般标高在+1 350～1 600 m之间。矿井主采4-2号煤层赋存于延安组第1段下次级旋回的顶部，呈层状产出，煤层埋深433.88～810.98 m，一般在520～700 m之间。煤层厚度0.0～11.74 m，平均5.68 m，主体部分(古凹陷的中心部位)煤层稳定在4～10 m，平均8.33 m，煤层由凹陷的中心向周边逐渐变薄的规律明显，是区内稳定性最好的煤层。本次对于巷道松动圈的测定采用的是钻孔窥视法和超声波探测法相结合的方式。巷道松动圈测试地点选择在建新煤矿4207回采工作面的回风巷中进行，分别测试距离工作面20 m、60 m、100 m处的巷道松动圈情况。

图1 巷道围岩塑性变形区及应力分布Fig.1 Plastic deformation zone and stress distribution of roadway surrounding rock

2.2 钻孔窥视法测定巷道松动圈

2.2.1 钻孔成像仪介绍

窥视法采用的仪器由武汉长盛煤安科技有限公司研制，型号为CXK12(A)矿用本安型钻孔成像仪。该成像仪体积较小，工作参数较为优秀，功能丰富，可实现全景摄像、成像，图像高保真，探头内置高精三维罗盘，可以测量任意方位倾角的钻孔结构产状角度，实现视频录像、拼图成像、钻孔轨迹测量等多功能为一体，工作性能稳定。

2.2.2 钻孔窥视探测原理

钻孔窥视是通过窥视的方式客观分析围岩的破坏程度，从而判定松动圈的范围。而应用到的设备—钻孔窥视仪主要由2个传感器进行数据采集：探头、深度传感器，探头借助其自带的LED补光二极管发出的光对孔内情景进行拍摄，而深度记录器可以记录探头的深度。钻孔窥视仪的主机接收深度传感器传来的深度脉冲信号和探头传来的视频信号，计算探头所在的深度位置，之后仪器将钻孔内实际情况进行实时视频录制和成图。钻孔窥视探测巷道松动圈就是利用钻孔探测孔周围裂隙分布程度，确定巷道松动圈的范围，该方法直观、准确。

2.2.3 钻孔窥视探测方法

布孔位置：钻孔布置如图2所示，在4207回采工作面回风巷距离工作面20 m、60 m、100 m处，每处施工2个钻孔。分别布置在巷道左右两帮，孔深9 m，直径45 mm。

图2 钻孔窥视仪测定巷道松动圈钻孔布置Fig.2 Borehole layout for measuring roadway loose circle with borehole peeper

布孔参数：具体的钻孔仰角、方位角、孔径等参数可见表1。

表1 钻孔窥视法布孔参数

钻孔施工：钻孔过程中应该保持力度适中、角度正确，避免台阶孔的出现。此外，在打孔的过程中利用水流将灰尘清理出，避免误差出现。

设备连接：CXK12(A)矿用本安型钻孔成像仪主要由主机、电缆绕线架、光学探头3部分组成，3部分之间通过电缆连接。整套设备连接过程为连接探头→安装滑轮→连接主机。

进行测量：将钻孔窥视仪主机打开，打开窥视仪前部LED灯，亮度调至最合适。顺着钻孔探测裂隙情况，记录深度，边进边截取钻孔周围图片。

2.3 超声波法测定巷道松动圈

2.3.1 超声波探测原理

超声波探测巷道松动圈技术普适性强、稳定性较好。其原理是根据超声波在不同岩体介质中传播波速不同。开采之后的围岩应力越大，说明岩体越致密，空隙较少，而固体媒介的传播声音速度快于空气，所以，声波在岩体中的传播速度就越快；反之亦然。因此，通过声波在不同介质中的传播速度不同的特性(即超声波在围岩中的传播速度随着岩石密度增加而增加，空隙越小，波速越快；空隙越大，波速越慢)，可以探测不同深度的围岩结构分布。通过测试超声波在巷道围岩一定深度范围内传播速度的变化，就可以判断围岩的松动范围[15]。

2.3.2 超声波探测方法

测定地点：本次测定地点位于建新煤矿的4207回采工作面的回风巷，使用仪器为超声波探测仪。

合理钻孔：本次测试共布置3个测站，在巷道煤壁侧施工2个平行钻孔，共计6个孔。分别在4207回采工作面回风巷距离工作面20 m、60 m、100 m处，每处在煤壁侧施工2个钻孔，如图3所示。钻孔直径为50 mm，钻孔深度为5 m，钻孔方向为向下与水平方向夹角为5°，方便水流的进入和煤体与水的耦合。两平行孔间距1 m，共计钻进工程量为30 m。

图3 超声波测试孔俯视图Fig.3 Drilling layout for ultrasonic method

清理钻孔：由于煤粉并不能被钻机完全带出，为了不影响测试，需要将钻孔内的煤粉和岩灰清出。将探头与充水管送入孔底部，将钻孔充水进行本次试验。

进行测试：钻孔内保持满水状态，这是为了使探头与岩体进行耦合[16]。每当探头被拉出钻孔10 cm进行一次探测，直到换能器完全脱离钻孔。煤体的波速可通过式(1)进行运算

Vs=L/t

(1)

式中，Vs为声波在煤体中传播速度，m/s；L为探头接收传感器之间的距离，m；t为探头接收声波的时间，s。根据式(1)，可得到各个测孔介质波速与孔深的变化关系曲线。

3 巷道松动圈测试结果

3.1 钻孔窥视法测量结果

钻孔窥视试验共进行了6次观测，分别位于距离4207回采工作面20 m、60 m、100 m的煤壁侧与煤柱侧，具体的测试结果如图4～8所示。

3.1.1 距回采工作面20 m处巷道松动圈

距离4207回采工作面20 m处煤壁侧由于煤体应力极大，前后施工2次，钻孔窥视仪推进1 m左右均出现塌孔现象，无法测试。从图4可以看出，距离4207回采工作面20 m处煤柱侧，0～0.9 m范围的孔壁煤体破碎严重，煤壁松散，钻孔有变形。1.3～4.83 m内，煤壁裂隙发育丰富，但孔型较为完整。从4.83 m以后，孔壁相对完整。因此，4207回采工作面20 m处巷道松动圈在4.83 m以内。

图4 距4207回采工作面20 m处煤柱侧钻孔窥视Fig.4 Borehole peeping at the coal pillar side 20 m away from 4207 mining face

3.1.2 距回采工作面60 m处巷道松动圈

煤壁侧：从图5可以看出，距离4207回采工作面60 m处煤壁侧，0～0.86 m范围的孔壁煤体破碎严重，煤壁松散；0.86～4.66 m内，煤壁裂隙发育丰富，但孔壁较为完整；从4.66 m以后，孔壁相对完整。因此，4207回采工作面60 m巷道松动圈在4.66 m以内。

图5 距4207回采工作面60 m处煤壁侧钻孔窥视Fig.5 Borehole peeping at the coal wall side 60 m away from 4207 mining face

煤柱侧：从图6可以看出，距离4207回采工作面60 m处煤柱侧，0～2.35 m范围的孔壁煤体破碎严重，煤壁松散；2.35～4.61 m内，煤壁裂隙发育丰富，但孔型较为完整；从4.61 m以后，孔壁相对完整。因此，4207回采工作面60 m巷道松动圈在4.61 m以内。

图6 距4207回采工作面60 m处煤柱侧钻孔窥视Fig.6 Borehole peeping at the coal pillar side 60 m away from 4207 mining face

3.1.3 距回采工作面100 m处巷道松动圈

煤壁侧：从图7可以看出，距离4207回采工作面100 m处煤壁侧，0～1.48 m范围的孔壁煤体破碎严重，煤壁松散；1.48～4.42 m内，煤壁裂隙发育丰富，但孔型较为完整；从4.42 m以后，孔壁相对完整。因此，4207回采工作面100 m巷道松动圈在4.42 m以内。

图7 距4207回采工作面100 m处煤壁侧钻孔窥视Fig.7 Borehole peeping at the coal wall side 100 m away from 4207 mining face

煤柱侧：从图8可以看出，距离4207回采工作面100 mm处煤柱侧，0～0.66 m范围的孔壁煤体破碎严重，煤壁松散；1.25～4.38 m内，煤壁裂隙发育丰富，但孔型较为完整，在2.04 m、2.21 m处均有宽约1 cm左右的剪切裂缝；从4.38 m以后，孔壁相对完整。因此，4207回采工作面100 m巷道松动圈在4.38 m以内。

图8 距4207回采工作面100 m处煤柱侧钻孔窥视Fig.8 Borehole peeping at the coal pillar side 100 m away from 4207 mining face

3.1.4 结果汇总

综上所述，采用钻孔窥视法对4207回采工作面后20 m、60 m、100 m处巷道松动圈进行测试，汇总结果见表2。

表2 钻孔窥视法巷道松动圈测试结果

3.2 超声波探测法测量结果

超声探测试验针对4207回采工作面后20 m、60 m、100 m煤壁侧共进行了3次测定，孔深5 m，探头每向孔外拉出0.1 m测试一次，每个钻孔共计50个数据，各钻孔数据绘制成曲线如图9～11所示。

3.2.1 距回采工作面20 m处巷道松动圈

由图9可知，4207回采巷工作面20 m后煤柱帮的钻孔内，在0～0.5 m范围内由于煤壁岩层破碎严重，无法探测；在0.5～4.7 m内，此时测得波速主要在700～800 m/s，为围岩破碎区；在4.7～4.8 m围岩范围，波速上升至1 000 m/s以上，此处围岩较为稳定；在4.9 m以后围岩范围，波速升高至1 200 m/s以上。根据上述波速变化结果，4207回风巷距离工作面20 m处煤壁帮松动圈范围在4.9 m以内。

3.2.2 距回采工作面60 m处巷道松动圈

由图10可知，4207回采工作面60 m处煤壁帮波速在0～0.7 m煤壁范围内变化剧烈，此处煤壁破碎程度高；在0.8～4.1 m内，此时波速较为稳定，此处为围岩破碎区；在4.2～4.4 m内，波速浮动范围较大；在4.5 m以后围岩范围内，波速升高至1 245 m/s以上。因此，4207回风巷距离工作面60 m处煤壁帮松动圈范围在4.5 m以内。

图10 4207回风巷距离工作面60 m处煤壁帮波速Fig.10 Wave velocity at coal wall side of 4207 return air roadway 60 m away from working face

3.2.3 距回采工作面100 m处巷道松动圈

由图11可知，4207回风巷距离工作面100 m处煤壁帮的钻孔在0～0.6 m煤壁范围内，测定波速变化剧烈，此范围内煤壁破碎程度相对较高且相当不稳定。在0.7～4.5 m煤壁范围内，此时波速较为稳定，此处为围岩破碎区；在4.5 m以后围岩范围内，波速升高至1 200 m/s以上，并相对稳定。因此，4207回风巷距离工作面100 m处煤壁帮松动圈范围在4.5 m以内。

图11 4207回风巷距离工作面100 m处煤壁帮波速Fig.11 Wave velocity at coal wall side of 4207 return air roadway 100 m away from working face

3.2.4 结果汇总

依据超声波探测法测定数据，4207回风巷距离工作面20～100 m内，巷道松动圈数据汇总见表3。通过对建新煤矿4207回采工作面用钻孔窥视法、超声波探测法进行巷道松动圈测试，钻孔窥视法测定巷道松动圈最大范围为4.83 m；超声波探测法测定巷道松动圈最大范围为4.9 m。而瓦斯抽采钻孔的封孔深度应超出煤巷帮的松动圈范围，考虑到钻孔封孔本身密封性问题，同时结合“预抽瓦斯钻孔封堵必须严密，穿层钻孔的封孔段长度不得小于5 m，顺层钻孔的封孔段长度不得小于8 m”之规定，建新煤矿最低封孔深度不少于8 m，该封孔距离远超过巷道松动圈范围，可以确保瓦斯抽采钻孔封孔密实，确保瓦斯抽采效果。

表3 4207回风巷道松动圈测试结果

3.3 结果讨论

通过采用钻孔窥视法和超声波探测法测定建新煤矿4207采煤工作面回顺巷道松动圈范围，可以发现钻孔窥视法测得距离工作面20 m、60 m、100 m处煤柱侧松动圈范围4.83 m、4.61 m、4.38 m。距离工作面越近，松动圈范围越大；反之亦然。并且，试验结果说明煤壁侧松动圈范围比煤柱侧略大。超声波探测法得到距离工作面20 m、60 m、100 m处煤柱侧松动圈范围松动圈范围4.9 m、4.5 m、4.5 m。距离工作面越近，松动圈范围越大，这与钻孔窥视法结论一致。通过对试验得到的数据进行拟合、分析，如图12所示。结果表明，煤壁侧、煤柱侧的线性拟合度分别是99.97%、98.01%，在误差允许的范围内，可以认为巷道松动圈大小与回采工作面之间的距离成一定的反比例关系，距离越近，松动圈范围越大；反之亦然。

图12 松动圈拟合分析Fig.12 Fitting analysis of loose circle

4 结论

(1)对建新煤矿4207回顺采用钻孔窥视法、超声波探测法进行巷道松动圈测试，钻孔窥视法测定巷道松动圈最大范围为4.83 m；超声波探测法测定巷道松动圈最大范围为4.9 m。

(2)采用钻孔窥视法、超声波探测法对建新煤矿4207回顺巷道松动圈进行了探测，距离回采工作面越近，巷道松动圈越大。

(3)瓦斯抽采钻孔的封孔深度应超出煤巷帮的松动圈范围，考虑到钻孔封孔本身密封性问题，同时结合“预抽瓦斯钻孔封堵必须严密，穿层钻孔的封孔段长度不得小于5 m，顺层钻孔的封孔段长度不得小于8 m”的规定，建新煤矿最低封孔深度不得小于8 m。