礦壓監(jiān)測技術(shù)在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

荀建梁

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦， 山西 洪洞 041600)

目前，三交河煤礦主采11#煤層，因局部段頂板錨桿無法錨入穩(wěn)定巖層，為確保頂板強(qiáng)度，11#煤層掘進(jìn)工作面采取“全錨索”支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)11#煤層已掘巷道可知，在掘進(jìn)期間頂板出現(xiàn)破碎、隨掘隨落等現(xiàn)象，支護(hù)環(huán)境不佳造成礦壓規(guī)律掌握不準(zhǔn)確，同時施工進(jìn)度緩慢、成本較高。

故選取11-1041巷掘進(jìn)工作面為對象，通過礦壓監(jiān)測分析，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，由原頂板“全錨索”支護(hù)變?yōu)椤板^桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)形式，使11#煤層回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理、安全可靠，同時降低支護(hù)成本，提高施工效率。

1 11-1041巷基本情況

1.1 巷道布置情況

1.2 工作面支護(hù)形式

巷道斷面為寬4.5 m×高3.2 m，頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)方式，頂錨索采用長短錨索聯(lián)合支護(hù)，“一·四”為1×7/d21.6 mm×5.2 m的短錨索，“二·三”為1×7/d21.6 mm×7.2 m的長錨索，間排距1 200 mm×1 000 mm. 幫部采用錨網(wǎng)梁支護(hù)方式，幫錨桿選用BHRB-335/d20 mm×2 m的高強(qiáng)錨桿，“三·三”布置，間排距1 200 mm×1 000 mm. 全錨索巷道斷面支護(hù)圖見圖1.

圖1 全錨索巷道斷面支護(hù)圖

通過現(xiàn)場監(jiān)測，在巷道頂板全錨索支護(hù)條件下，巷道圍巖整體較穩(wěn)定，支護(hù)形式能夠滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，但在掘進(jìn)期間，頂板完整性較差，局部出現(xiàn)頂板破碎現(xiàn)象，需采取措施改善圍巖完整性及承載能力。

2 支護(hù)優(yōu)化

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場巷道圍巖情況及工程類比法，確定巷道支護(hù)方式，即：頂板采用錨網(wǎng)、錨桿、錨索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)方式，頂錨桿選用d20 mm×2.5 m的高強(qiáng)錨桿，“六·六”布置，間排距800 mm×800 mm，頂板肩角錨桿距幫250 mm；頂錨索選用d21.6 mm×7.2 m的鋼絞線，“二·二”布置，間排距1 800 mm×2 400 mm，錨索施工在兩排頂錨桿正中，頂板肩角錨索距幫1 350 mm；幫錨桿選用d20 mm×2.0 m的高強(qiáng)錨桿，“三·三”布置，間排距1 200 mm×1 200 mm，第一根幫錨距頂板300 mm.錨桿/索聯(lián)合支護(hù)巷道斷面圖見圖2.

圖2 錨桿/索聯(lián)合支護(hù)巷道斷面圖

2.2 支護(hù)效果模擬

采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC3D建立模型，分析掘進(jìn)期間巷道在該支護(hù)方案下的變形情況、巷道圍巖塑性區(qū)分布情況。

巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻闆r見圖3，4. 由圖3，4可知，巷道頂板最大下沉量25 mm，最大底鼓量10 mm，頂板下沉量大于底鼓量，最大變形位置發(fā)生在巷道頂?shù)装逯胁浚粌蓭鸵平烤鶠?6 mm，移近量最大處均在兩幫中部。該方案支護(hù)后巷道整體位移量不大，說明巷道的支護(hù)強(qiáng)度能控制巷道圍巖的變形。

圖3 巷道頂板下沉和底鼓情況圖

圖4 巷道兩幫移近情況圖

巷道的塑性區(qū)分布情況見圖5，由圖5可知，巷道4個角有圍巖屈服破壞現(xiàn)象，巷道圍巖屈服破壞范圍很小。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布情況圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明：巷道通過錨桿、錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，有效控制了巷道表面圍巖的變形，起到了應(yīng)有的支護(hù)效果。巷道的支護(hù)強(qiáng)度能滿足巷道在使用期間對變形的要求。

3 支護(hù)效果監(jiān)測

為驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，現(xiàn)場采用綜合監(jiān)測、日常監(jiān)測、松動圈探測、測力錨桿監(jiān)測等手段，對支護(hù)方式優(yōu)化后的錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測[1].

1) 綜合監(jiān)測。

a) 頂板離層監(jiān)測。

頂板離層采用YHW-300型光感離層儀進(jìn)行監(jiān)測。因巷道頂板采用7.2 m錨索、2.5 m錨桿聯(lián)合支護(hù)，故離層儀深基點(diǎn)布置在巷道頂板7.3 m處，淺基點(diǎn)布置在巷道頂板2.4 m處，深基點(diǎn)初安值為2 mm、淺基點(diǎn)初安值為1 mm. 監(jiān)測曲線見圖6. 由圖6可知，頂板離層監(jiān)測曲線無變化，說明在掘進(jìn)過程中，巷道頂板穩(wěn)定，無離層現(xiàn)象。

圖6 頂板離層變化曲線圖

b) 錨桿/索工作載荷監(jiān)測。

錨桿/索工作載荷采用MCS-400型光感測力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，分別在頂板1#、3#、4#、6#錨桿，左幫1#、2#錨桿，右?guī)?#錨桿，頂板中部錨索安設(shè)測力計(jì)對錨桿/索工作載荷進(jìn)行監(jiān)測，布置示意圖見圖7，監(jiān)測曲線見圖8.

圖7 錨桿/索測力計(jì)布置示意圖

1—頂錨索應(yīng)力 2—頂板4#錨桿應(yīng)力3—頂板3#錨桿應(yīng)力 4—頂板1#錨桿應(yīng)力5—右?guī)?#錨桿應(yīng)力 6—左幫1#錨桿應(yīng)力7—頂板6#錨桿應(yīng)力 8—左幫2#錨桿應(yīng)力圖8 錨桿/索受力變化曲線圖

由圖8可知，巷道掘進(jìn)8 m范圍內(nèi)，錨桿/索受力變化最大，在掘進(jìn)13 m后各測力計(jì)變化速率趨緩，但仍有增大趨勢，此范圍內(nèi)主要是安裝測力計(jì)距迎頭過近，受掘進(jìn)采動影響；在掘進(jìn)50 m左右后錨桿/索受力基本不變，圍巖壓力穩(wěn)定。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道頂板3#、4#錨桿變化最大，變化值分別為62 kN、52 kN，說明巷道開挖后，幫部錨桿受力變化較小，但整體呈增大趨勢，說明頂板支護(hù)強(qiáng)度較高，頂板壓力傳遞在兩幫的壓力較小。其中頂板6#錨桿、左幫2#錨桿受力先變小后變大，是因?yàn)橄锏篱_挖后左幫較不穩(wěn)定，在掘進(jìn)5 m后左幫及頂板右側(cè)穩(wěn)定后，受掘進(jìn)采動影響，錨桿受力呈增大趨勢?？偟膩碚f，各測力計(jì)變化在允許范圍之內(nèi)。

c) 表面位移監(jiān)測。

表面位移監(jiān)測采用十字布點(diǎn)法安設(shè)測站，每個測站安裝兩個監(jiān)測斷面，沿巷道軸向間隔2排。監(jiān)測曲線見圖9. 由圖9可知，巷道在掘進(jìn)過程中圍巖相對比較穩(wěn)定，未發(fā)生位移變化。

1—2#測點(diǎn)交點(diǎn)左位移 2—1#測點(diǎn)交點(diǎn)左位移3—2#測點(diǎn)交點(diǎn)右位移 4—1#測點(diǎn)交點(diǎn)下位移5—1#測點(diǎn)交點(diǎn)右位移 6—2#測點(diǎn)交點(diǎn)下位移7—2#測點(diǎn)交點(diǎn)上位移 8—1#測點(diǎn)交點(diǎn)上位移圖9 巷道表面位移變化曲線圖

根據(jù)監(jiān)測情況可知，巷道頂板穩(wěn)定，未發(fā)生離層現(xiàn)象；在掘進(jìn)過程中，受巷道掘進(jìn)采動影響，錨桿、錨索受力有增大現(xiàn)象，但在合理范圍之內(nèi)，工作面向前掘進(jìn)50 m后錨桿/索受力趨于穩(wěn)定；且圍巖未發(fā)生位移，圍巖相對比較穩(wěn)定。說明巷道支護(hù)強(qiáng)度高，能夠有效保證圍巖穩(wěn)定。

2) 日常監(jiān)測。

支護(hù)優(yōu)化后，工作面又建立5組頂板離層儀、測力計(jì)在線監(jiān)測測站。通過日常監(jiān)測可知，各頂板離層儀未發(fā)生離層；各測力計(jì)觀測值整體增大(錨索測力計(jì)最大變化值60 kN，錨桿最大變化值29 kN)，但趨于穩(wěn)定，觀測值在正常范圍之內(nèi)。由此可知，巷道支護(hù)有效，頂板穩(wěn)定。

3) 松動圈探測。

松動圈測試主要采用超聲波圍巖裂隙探測儀，主要方法為單孔聲波法，依據(jù)波速在巖體中傳播這一特性，根據(jù)波速的變化規(guī)律判定圍巖松動范圍，即聲波隨巖石破裂程度增加，傳播時間越長，聲速越低[2]. 現(xiàn)場分別在頂板、左右兩幫施工鉆孔，采用探測儀對松動圈厚度進(jìn)行探測。測試結(jié)果見圖10，11，12.

圖10 右?guī)退蓜尤y試結(jié)果圖

由圖10可知，右?guī)偷臏y試時間在0.8 m處急劇變小，波速變大，說明破碎程度明顯減弱，完整性較好，松動圈厚度在0.8 m左右。

圖11 左幫松動圈測試結(jié)果圖

由圖11可知，左幫的測試時間在0.9 m處急劇變小，波速變大，說明破碎程度明顯減弱，完整性較好，松動圈厚度在0.9 m左右。因頂板右高左低，所以左幫承受壓力較大，故破碎程度較右?guī)痛蟆?/p>

圖12 頂板松動圈測試結(jié)果圖

由圖12可知，頂板的測試時間在1.5～1.7 m處急劇變小，波速變大，說明破碎程度明顯減弱，完整性較好，松動圈厚度在1.5～1.7 m.

現(xiàn)場頂板使用2.5 m的錨桿、幫部使用2.0 m的錨桿，能夠阻止松動圈內(nèi)巖石的進(jìn)一步軟化，并對圍巖強(qiáng)度進(jìn)行恢復(fù)，至少使一部分恢復(fù)到彈性狀態(tài)，以提高其殘余強(qiáng)度，提高巷道穩(wěn)定性，提高承載能力，阻止圍巖變形。

4) 測力錨桿監(jiān)測。

通過安設(shè)測力錨桿，對頂板錨桿受力位置進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)桿長選擇合理的間距布置多個測點(diǎn)，當(dāng)桿體受力變形時，內(nèi)部應(yīng)變片電阻值會發(fā)生相應(yīng)變化并轉(zhuǎn)換成該點(diǎn)處錨桿受力[3]. 錨桿受力變化曲線見圖13，由圖13可知，測力錨桿安裝后，桿體受力不斷增加，錨桿受力在淺部圍巖及深部圍巖處較小，中間部分受力最大，距離頂板1.0 m深處錨桿受力最大，表明1.0 m深處圍巖活動最劇烈，對錨桿影響較大，但最大受力為85 kN，未超過屈服強(qiáng)度，說明支護(hù)有效。

圖13 錨桿受力變化曲線圖

現(xiàn)場頂板錨桿使用Z2388、CKb2360型樹脂錨固劑各一條進(jìn)行錨固，錨固長度為2.0 m，能夠較好地控制頂板變形。

5) 頂板反饋。

通過現(xiàn)場觀測可知，頂板破碎的現(xiàn)象顯著改善，說明錨桿支護(hù)對錨固范圍內(nèi)的圍巖提供一個徑向壓力，使因巷道開挖失去應(yīng)力平衡的圍巖達(dá)到新的力學(xué)平衡，錨固范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度得到恢復(fù)，部分進(jìn)入加載時的彈性狀態(tài)，提高了巷道穩(wěn)定性和承載能力。

4 結(jié) 論

1) 采用礦壓監(jiān)測技術(shù)，得出了11-1041巷采用“錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)形式下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在距離工作面8～13 m，對巷道圍巖影響最大，且巷道中部錨桿受力最大，局部受力最大值為60 kN；距離工作面50 m后，圍巖趨于穩(wěn)定；錨桿在淺部圍巖及深部圍巖處受力較小，中間部分受力最大，距離頂板1.0 m深處圍巖活動最劇烈，最大受力為85 kN，未超過屈服強(qiáng)度；巷道頂板松動圈厚度為1.5～1.7 m，兩幫松動圈厚度為0.8～0.9 m，選擇2.5 m的頂錨桿、2.0 m的幫錨桿能夠有效控制圍巖變形。

2) 對支護(hù)成本進(jìn)行對比，全錨索支護(hù)延米費(fèi)用為1 682元/m，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)后，延米費(fèi)用為1 438元/m，延米費(fèi)用節(jié)約244元/m.

3) 對支護(hù)優(yōu)化前后的正規(guī)循環(huán)進(jìn)行測定，支護(hù)優(yōu)化前循環(huán)進(jìn)尺為7 m/日，支護(hù)優(yōu)化后循環(huán)進(jìn)尺為10 m/日，提高了3 m/日.