全線動態(tài)信息跟蹤法及其應用

文/周煜博

隨著采深的不斷延伸，地應力不斷增強，地質構造日益復雜，對于一條巷道從開口到掘進結束要經(jīng)歷不同的地應力強度和地質構造，傳統(tǒng)的靜態(tài)信息設計方法已經(jīng)無法適應整條巷道的支護設計要求，必須探索應用一種快速、有效的設計方法。

一、煤巷錨桿支護設計方法評價

1.傳統(tǒng)支護設計方法

傳統(tǒng)錨桿支護設計以工程類比法和理論分析法為主，一是用于設計的基礎參數(shù)是巷道周圍某幾個點（甚至僅一個點）的綜合地質技術資料的平均值，導致一方面巷道絕大部分區(qū)域設計的錨桿參數(shù)過高，增加了支護成本，降低了巷道的掘進速度；二是使巷道的某些局部地質技術條件變化區(qū)域設計的錨桿支護參數(shù)不足，引發(fā)局部冒頂事故；三是依據(jù)的基礎性參數(shù)缺乏定量化評價指標，導致錨桿支護參數(shù)設計缺乏科學性、合理性和確定性。

2.動態(tài)信息設計法

動態(tài)信息設計能夠充分利用每個過程中提供的信息及時加以修正。主要包括5個部分：試驗巷道調查與地質力學評估、初始設計、井下監(jiān)測、信息反饋和修正設計、日常監(jiān)測。其中，試驗巷道調查包括圍巖強度、圍巖結構、地應力及錨固性能測試等內容。在此基礎上進行地質力學評估和圍巖分類、為初始設計提供可靠的參數(shù)，根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實測數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設計。

由于部分礦區(qū)自身無法完成在試驗巷道調查中的地應力測試、地質力學評估等內容，在安全的前提下，需要使用更便捷、更快速的煤巷錨桿支護設計方法，保證設計的可靠性。

3.全線動態(tài)信息跟蹤設計方法

該設計方法摒棄了以上兩種設計方法的缺點，是一種全新的設計理念與現(xiàn)代信息技術相結合的方法。具體方法如下：

⑴全面分析相鄰工作面基礎地質技術數(shù)據(jù)，進行地質力學評估，將其分成正常支護段參數(shù)和構造破碎帶參數(shù)，而不是簡單地取其平均值。

⑵根據(jù)獲得的地質技術數(shù)據(jù)，用FLAC3D數(shù)值模擬方法確定錨桿支護初始參數(shù)。

⑶進行工程實踐，并全線進行動態(tài)信息跟蹤，獲得應力、圍巖、支護三者相互作用結果的綜合信息。

⑷根據(jù)礦壓實測信息，進行支護效果評價。依據(jù)支護效果評價、修改原始資料數(shù)據(jù)，并用重新設計巷道待掘進部分的錨桿支護參數(shù)，再實踐。

二、工程實踐

王莊煤礦6203工作面為62采區(qū)首采工作面，現(xiàn)已采完。6201工作面為其相鄰工作面。通過分析6201工作面與6203工作面各項數(shù)據(jù)，在分析6203工作面掘進及回采歷史基礎資料后，得出6201工作面地質參數(shù)和力學參數(shù)可以參照6203工作面，垂直主應力為7.84/ MPa，最大水平主應力為6.95/ MPa，最小水平主應力為3.55/ MPa。

1.6201工作面開切眼支護初始參數(shù)確定

6201工作面開切眼寬7.8m，高3m。經(jīng)過FLAC3D數(shù)值計算，確定開切眼臨近采空區(qū)50m段錨桿支護初始參數(shù)。

(1)頂板支護：第一次掘進采用6根直徑20mm、長度2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距1000mm；第二次掘進采用5根直徑20mm、長度2 4 0 0 m m的高強度螺紋鋼錨桿，間距900mm，排距1000mm。采用樹脂藥卷加長錨固，每根錨桿用兩支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷，孔底一支為雙速藥卷，分別為超快和中速，各長300mm，超快在孔底，外面一支為中速。一次掘進每3000mm安裝2套錨索，二次掘進每3000mm安裝1套錨索，錨索直徑為17.8mm，長度為8.3m，錨索配件采用400mm長的18號槽鋼一塊、100×100×8mm的鋼板一塊、鎖具一個，錨索采用3支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷錨固，孔底1支為雙速，分別為超快和中速，各長300mm，超速在孔底，外面2支為中速。

(2)兩幫支護：一次掘進臨時幫采用3根直徑16mm、長度2000mm的玻璃鋼錨桿，間排距均為1000mm，老塘幫采用3根直徑20mm、長度2000mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距均為1000mm。采用樹脂藥卷錨固，每根錨桿用一支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷。二次掘進時推進幫采用16mm、長度2000mm的玻璃鋼錨桿，間排距均為1000mm。采用樹脂藥卷錨固，每根錨桿用1支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷。

2.全線動態(tài)信息跟蹤

對6201工作面開切眼臨近采空區(qū)段進行“全線動態(tài)信息”監(jiān)測，主要監(jiān)測內容有錨桿軸力、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量以及頂板離層等，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平咳鐖D所示。

由圖得出，在開掘的20m段，開切眼頂?shù)装逡平恳堰_到44mm，且兩幫移近量達130 mm，對錨桿軸力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨桿軸力普遍偏高，局部區(qū)域頂板離層約10~30mm,現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)開切眼周圍小型構造比較發(fā)育，圍巖與6203開切眼同段相比更加破碎。

3.6201工作面開切眼支護參數(shù)修正

通過FLAC3D模擬重新確定切眼臨近采空區(qū)段待掘部分的支護參數(shù)。重新設計后的支護參數(shù)為：頂板采用直徑22mm、長度2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，兩幫采用直徑22mm、長度2000mm的高強度螺紋鋼錨桿，錨桿的排距縮小為900mm，錨索的排距為2700mm，其余參數(shù)不變。

再次對修改參數(shù)后的開切眼臨近采空區(qū)段進行“全線動態(tài)信息”監(jiān)測，修改支護參數(shù)后的頂?shù)装搴蛢蓭鸵平咳鐖D所示。

修改后的支護方案頂?shù)装逡平績H為24 mm，兩幫移近量僅為63mm，比初始方案分別減少了83%和106%，并且頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俣妊杆俜€(wěn)定下來，錨桿軸力監(jiān)測顯示最大的軸力僅為錨桿屈服極限的60%，錨桿還有很大的承載空間，頂板離層儀顯示頂板幾乎沒有離層。

三、結論

1.全線動態(tài)信息跟蹤法能夠快速制定初始參數(shù)，設計的針對性強，設計的可靠性高，可以預測巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性，有利于科學化管理，工程質量易于保證，簡化了設計基礎的采集工作。

2.全線動態(tài)信息跟蹤法通過對整條巷道的頂?shù)装搴蛢蓭鸵苿?、錨桿軸力以及頂板離層等進行監(jiān)測，分析其中的變化規(guī)律，從而有利于對巷道圍巖運動規(guī)律的進一步認識，為其他巷道的施工提供可靠的依據(jù)。