巷道表面位移觀測的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

司廣宏

(潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046100)

拉繩“十字?jǐn)嗝娣ā笔堑V山井下常用的巷道表面位移觀測方法[1-2]，可以用于測量巷道兩幫及頂?shù)装遄冃吻闆r，從而評估巷道穩(wěn)定性。以余吾煤業(yè)為例，井下采掘頭面多，永久大巷里程長，需要經(jīng)常布置測站對巷道變形進(jìn)行觀測。公司井下測站布置數(shù)量多，巷道類型多樣，現(xiàn)場觀測環(huán)境差異大，客觀影響因素多，制約了觀測效率的提升，需進(jìn)一步對觀測裝置及方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 原有觀測方案

表面位移觀測站常用的安裝方式為：對巷道兩幫及頂?shù)装邈@孔，之后在孔內(nèi)安設(shè)木楔，木楔上釘有釘子用于掛繩拉尺測量。觀測方案包含以下步驟：

①對頂板拉繩吊掛鉛墜，使之保持自然下垂；②將巷道兩幫測站測繩拉直，使之與垂直拉繩十字交叉；③用鋼卷尺分別測量AB、AO的長度以及CD、CO高度，取得巷道兩幫及頂?shù)装逵^測數(shù)據(jù)；④將巷道兩幫拉繩進(jìn)行回收，頂板拉繩放回原處，對下一測站進(jìn)行觀測。觀測數(shù)據(jù)采集，見表1。

表1 表面位移觀測數(shù)據(jù)匯總(優(yōu)化前)

觀測示意如圖1所示。

圖1 表面位移觀測方案示意(優(yōu)化前)

通過現(xiàn)場實踐，采用原有布置及觀測方案存在以下缺點：

1) 測站不夠牢固，易受人為因素影響。測站安裝后，在木楔上釘入釘子固定于巷幫，在實際觀測過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)底板及幫部測站木楔脫落、釘子被人為破壞情況，原有參照系被破壞，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)觀測不準(zhǔn)，無法進(jìn)行下一次測量。此外，固定于頂板測點的測繩也極容易被人為拉斷，導(dǎo)致觀測時需要重新進(jìn)行掛繩測量，增加了觀測工作的額外工作量。

2) 觀測時受客觀環(huán)境影響大。由于巷道兩幫測點需進(jìn)行拉繩觀測，對于不同功能的巷道需克服不同困難，在膠帶巷觀測時需跨越膠帶，在架空乘人巷需要設(shè)置警戒注意行人及猴椅通過，在輔助運輸巷又可能受到卡軌車及單軌吊運行影響，在大斷面巷道、風(fēng)速較高的巷道頂板掛尺困難，以上因素均制約著觀測效率的提升。

2 方案設(shè)計優(yōu)化

2.1 優(yōu)化說明

針對原有觀測方案存在的不足，在不改變“十字?jǐn)嗝妗庇^測原理的基礎(chǔ)上，對測站安裝及觀測方法進(jìn)行了全方位的優(yōu)化改進(jìn)。具體如下：

1) 測站安裝的優(yōu)化。在巷道兩幫中部及頂板各打設(shè)一根長800 mm、D22 mm短錨桿，并用半支藥卷錨固，用于代替木楔，增加了測站穩(wěn)定性。制作專用的螺母環(huán)、螺母板及螺母托架，各部安裝位置及功能如下：螺母環(huán)擰緊至頂部測站錨桿上，用于掛設(shè)專用測尺，見圖2(a)；螺母板扭緊至巷道一幫測站，用于接受測距儀激光信號，見圖2(b)；螺母托架為觀測人員攜帶，觀測時擰緊于螺母板相對的巷道幫部，用于放置激光測距儀，見圖2(c)。

圖2 測站安裝優(yōu)化示意

2) 觀測裝置的改進(jìn)。增加配置激光測距儀[3]，配合螺母托架，用于代替鋼卷尺大部分測量工作；同時用加工制作的專用測尺[4]代替頂板測點拉繩，測尺可相互連接，觀測精度±1 mm，頂部測尺帶有掛鉤可吊掛在螺母環(huán)內(nèi)，最下部測尺帶有掛環(huán)可用于吊掛鉛墜。

改進(jìn)的方案觀測步驟為：①將合適長度的測尺吊掛至頂板螺母鉤內(nèi)，測尺下部吊掛好鉛墜；②將螺母托架扭緊至巷道一幫，使激光可以對準(zhǔn)螺母板；③用激光測距儀測出AB距離，對測尺進(jìn)行微調(diào)，將光斑照射至測尺桿體上，分別讀出AO、CO值，用鋼卷尺測出鉛墜下部至底板距離DO'；④回收螺母托架及測尺，對下一個測站進(jìn)行觀測。觀測數(shù)據(jù)采集，見表2。觀測示意，如圖3所示。

圖3 表面位移觀測方案示意(優(yōu)化后)

表2 表面位移觀測數(shù)據(jù)匯總表(優(yōu)化后)

2.2 其他說明事項

1) 表2與表1數(shù)據(jù)相比，兩種觀測方式AB、AO、CO均可直接讀出，進(jìn)而可算出巷道兩幫移近量、單幫移近量及頂板下沉量，表2中由DO'的變化可得出巷道底鼓量，而表1中的底鼓量由CD與CO作減法計算得出。

2) 由于螺母板為D100 mm、厚度2 mm的鋼板制作而成，面積較小，相比原有測站布設(shè)方案，優(yōu)化改進(jìn)的測站安裝方案對施工技術(shù)有較高要求，為保證頂板及幫部測點在同一斷面，需配合激光測距儀及測尺確定相應(yīng)的錨桿施工位置。測站安裝過程中，需先在巷道一幫打設(shè)錨桿，用螺母托架配合激光測距儀確定另外一幫及頂板測站錨桿打設(shè)位置。

3) 每次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，觀測標(biāo)準(zhǔn)需統(tǒng)一，螺母托架在錨桿上需順時針扭緊至最底部，若扭至最底部托架未處于水平狀態(tài)，則需要逆時針扭動最小幅度將其調(diào)整至水平狀態(tài)，此外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時激光測距儀尾部需緊貼L型鋼板托架。

3 實施效果

采用優(yōu)化改進(jìn)的表面位移觀測裝置及方法，現(xiàn)場不用進(jìn)行拉繩觀測，不用跨越膠帶，不用留人警戒，減少了客觀因素的影響，提高了作業(yè)安全性。以北翼采區(qū)N2103工作面為例，為分析工作面回采結(jié)束后對五條永久大巷的影響，每條大巷影響范圍420 m，布置22個測站，五條大巷總計布置110個測站。測站布置見圖4。

圖4 N2103工作面對應(yīng)五條大巷測站布置

采用原有拉繩“十字?jǐn)嗝妗狈ㄓ^測，每個測站觀測用時約3 min，五條大巷全部觀測完成用時約7 h；采用優(yōu)化后的觀測方法，一個測站平均觀測時間提升至1 min上下，全部觀測完成僅需要3 h，較原來用時減少一半以上，極大地提升了觀測效率。使用原有觀測方法，單采用鋼卷尺在風(fēng)速較高區(qū)域尺子無法徹底拉直，加大了測量誤差，應(yīng)用激光測距儀則完全不受影響，測量數(shù)據(jù)更為精確，目前該方法已在公司井下全面推廣使用。

4 結(jié) 語

基于巷道表面位移觀測方法即“十字?jǐn)嗝娣ā钡挠^測原理，從測站安裝環(huán)節(jié)再到觀測方法兩方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)并應(yīng)用于現(xiàn)場實踐，經(jīng)過現(xiàn)場實測證明：測站的可靠性、觀測作業(yè)的安全性、觀測效率及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性均得到了很大提升，值得井工煤礦推廣與應(yīng)用。