15煤层巷道松动圈测试方案

2018年5月22日单击此处输入文字。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、概述2\o"CurrentDocument"1、松动圈理论2\o"CurrentDocument"2、钻孔轴向“三区”的划分2\o"CurrentDocument"3、测试目的3\o"CurrentDocument"二、测试区域基本情况3\o"CurrentDocument"1、拟测试区域3\o"CurrentDocument"2、煤层基本情况33、巷道断面及支护方式3\o"CurrentDocument"三、测试方案及原理3\o"CurrentDocument"1、方案选择3\o"CurrentDocument"2、测试原理4图3-1反射探测原理图图3-2雷达记录示意图5\o"CurrentDocument"四、工作方法6\o"CurrentDocument"1、设备选择6\o"CurrentDocument"2、技术要求6\o"CurrentDocument"3数据采集6\o"CurrentDocument"4、巷道围岩松动圈的判别.7图4-1反射波组雷达图像8\o"CurrentDocument"5、数据统计8表4-1测试数据记录表8\o"CurrentDocument"五、安全措施8一、概述1、松动圈理论巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态，开巷后围岩应力将发生两个显著变化；一个是巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降；二是围岩中出现应力集中现象，一般情况下集中系数大于2.如果集中应力小于岩体强度，那么围岩将处于弹塑性稳定状态；当应力超过围岩强度之后，巷道周边围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得三向应力平衡位置，此时围岩已过渡到破碎状态。我们将围岩中产生的这种松弛破碎带定义为围岩松动圈，简称松动圈，其力学特性表现为应力降低。2、钻孔轴向“三区”的划分在受采掘影响前，煤体处于应力平衡状态。当受到采掘影响以后，应力平衡随即遭到破坏，采场周围应力的大小和方向将发生较大的改变。在巷道周边将产生应力集中区。根据煤体力学状态的不同，可以将其分为3个区域：卸压区、应力集中区和原始应力区。卸压区的煤体抗拉强度很差，当拉伸应变超过破坏应变时，径向将产生裂隙，形成裂隙圈。抽采钻孔封孔以后，如果裂隙圈的深度超过封孔的深度，裂隙圈内裂隙将会与抽采钻孔沟通，构成了钻孔短路风流的通道，这些通道影响了抽采钻孔的气密性，导致抽采浓度下降。3、测试目的按照重庆煤矿科院防突所与二景公司合作的关于“瓦斯治理专业化现场服务”项目约定，其中一项是协助二景公司制定松动圈考察方案。通过对二景公司15#煤层巷道围岩松动圈的考察，确定巷道的松动圈影响封孔效果的范围。为后期在15#煤层施工顺层抽采钻孔后，合理选择封孔材料，封孔工艺，封孔深度提供可靠依据。从而达到封孔严密、高效抽采瓦斯的目的。二、测试区域基本情况1、拟测试区域本次试验选择在二采区的15202运输巷及15202回风巷进行。分别在距碛头50米布置1个测点，之后根据需要每隔50米或100米布置一个测点。2、煤层基本情况15202运输巷、15202回风巷均布置在15#煤层中，15#煤层位于太原组下部，K4灰岩之下，上距12号煤层30.35〜35.55m，平均32.80m，结构简单〜较简单，含夹砰0〜2层，煤层厚度4.20〜6.7血，平均5.4血，顶板为％灰岩，底板岩性为泥岩或砂质泥岩。3、巷道断面及支护方式三、测试方案及原理1、方案选择目前测试松动圈主要有：声波法、多点位移计法、地震波法、地质雷达法及钻孔摄像法等物理测试方法。各围岩松动圈物理探测方法优缺点如下。①声波法技术比较成熟，工程实践较多；仪器操作简单；容易塌孔或测孔堵塞，需要水耦合，需持续灌水，适用于岩性较好，破碎程度低，开挖时间短的隧道和桐室。②多点位移计法观测数据量大，可获得隧洞开挖后一段时间内的松动圈变化规律；工作量大，周期长，测量精度不高，一般开挖隧道和桐室都可使用。③地震波的层析成像法测试结果准确、可靠，分析更加直观；需钻孔，成本较高，安装困难，适用于岩性较好，开挖时间短，测试精度要求高的地下工程。④地震波的折射波法无需钻孔，可无损检测；分析较困难，不易判断围岩中的破裂面，可在裂隙发育程度高、岩性较差、特殊的地质条件下的巷道中使用。⑤地质雷达法实现无损检测，精度高，测试效率高；仪器贵，成本较高，一般情况下都可使用，适用与测试精度要求高的工程。⑥钻孔摄像法测量准确、精度高，信息量大；仪器贵，操作复杂，适用于容易成孔的巷道。通过对二景公司15#煤层巷道的现场勘察，煤层比较松软，成孔效果差。不适宜在巷帮打孔或注水，若测试过程中塌孔，极有可能丢失设备。因此，建议采用地质雷达法。地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。它是从表面发射高频电磁脉冲波，利用其反射来探测目的体及其他地质现象。由于地质雷达使用了高频、宽频带短脉冲和高频采样技术，因此其探测分辨率高于其它的地球物理勘探手段。2、测试原理地质雷达利用一个天线T发射高频带电磁波（主频为数十兆赫乃至千兆赫）送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收（图3-1）。脉冲波行程需时：t=MZ2*/v。当地下介质的波速为已知时，可根据测到的精确的t值（ns，lns=10-9s），由上式求出反射体的深度（m）。地下介质的电磁波速可通过共中心点（CMP）测量得到，也可由下式求得：V=[i◎/3,）2/8]/式中，£r为介质的相对介电常数；p为介质的导磁系数；。为介质的电导率；3为介质的角频率。对于地下介质，。/3£r《1，故上式可简化为V="EF或V=C/*r式中，c为光速，c=0.3m•n-1•s-1地下介质的相对介电常数£r可利用现成的数据或者通过测定获得，所以根据上述公式可以确定地下介质的电磁波速。雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑、白色表示，也可以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等灰线即可形象地表征出地下反射面。（图3-2）对应一个简单的地质模型，发射天线与接收天线以一定间距沿测线向前移动，每移动一次计算机记录下电磁波在底下介质中的传播时间，即地质雷达勘探的原始数据，然后将原始数据进行各种处理后即可得到地质雷达勘探剖面。地质雷达图像反映的是地下介质的电性分布，结合具体的地质情况结束成果图，为工程设计提供依据。图3-1反射探测原理图图3-2雷达记录示意图四、工作方法1、设备选择图3-1反射探测原理图图3-2雷达记录示意图本次测试拟用美国劳雷工业公司（GSSI）生产的SIR-20型多通道透视雷达，该设备是一种高效浅层地球物理探测仪器。具有最快速度扫描（最大扫描速率800线/秒），分辨率精度高，数据采集实时显示，实时处理。在井下采用100MHz天线探测精度可达到100mm，最大探测深度可达20m°SIR-20多通道透视雷达由主机、传接电缆及高中低频天线组成，其技术指标如下：①仪器理想测深5〜30m。②仪器最大电压为12V，瞬间电压可达1000V。③仪器探测精度高，深度误差不大于5cm。2、技术要求使用SIR-20多通道透视雷达进行探测时，探测时精度受以下几方面因素影响：探测地点须平整，探测区域不能有太大起伏。天线与探测面接触必须达到60%以上。探测时要注意周围其它设备电磁波对探测产生影响。工作区有水时，天线和接头要做防水处理。所以注意要在地势平坦处进行探测。测试过程中，仔细观察各测试要素，区分数据的异常现象，保证观测数据质量可靠。3数据采集1）为了能够较准确的探测巷道围岩的松动圈尺寸，分别在巷道各布置具有代表性的探测点1〜3个，探测巷道顶板及两帮，为了消除由于偶然因素可能带来的影响，对每个探测点（尽可能地使探测结果能够反映探测位置的实际情况），实际并非探测一个点，而是探测测点附近沿巷道走向方向2〜5m长的一段测线，这样，在具体分析时，可将每段测线上雷达探测结果的平均值作为相应测点的松动圈尺寸。2）在所检测巷道每个测试单元均进行标定，每次标定3次，取平均值作为测试单元的介电常数。3）检测时雷达天线紧密贴合在巷道顶或帮表面滑动，进行连续采集。探头扫描速度大于512线/s；对于特殊地段或条件不允许时可采用点测方式，测量点距不大于200mm。4）支撑天线的器材选用绝缘材料，天线操作人员不能佩戴含有金属成分的物件，并应与工作天线保持相对固定的距离。5）观测过程中，应保持工作天线的平面与探测面基本平行，距离相对一致。6）确定巷道进、出口及左、右方向。记录标注应与测线桩号保持一致。7）在数据采集过程中，为了保证数据的质量，应对仪器本身的发射和接收做多次检测，并且对所采集的数据进行多次重复观测和检测工作，重、检测工作量应不少于总工作量的15%，以保证探测数据采集完整，可以使用。4、巷道围岩松动圈的判别每个测站测试完后，设备自动生成反射波图像。巷道围岩松动圈内均为松弛破裂岩体，电磁波在其中传播时，波形较为杂乱，反射波强度较低，且无明显的同相轴，而围岩松动圈外边界两侧岩体松散程度差异较大，电磁波经过该边界时必然发生较强反射，因此根据反射波组的雷达图像特征即可分析松动圈的大小。例如图4-1所示，顶板0—5.5m深度范围内，电磁波异常，推测为围岩松动。

图4-1反射波组雷达图像5、数据统计将每个测点通过仪器得出的反射波组雷达图像数据准确的按表4-1所示详细记录存档，以便施工钻孔后，根据每段巷道松动圈大小，设计封孔深度参数。