煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法研究

劉 遠(yuǎn)

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西延安 716000)

0 引言

隨著經(jīng)濟和采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前我國正在逐漸擴大開采礦山的規(guī)模，提高開采強度，礦物開采設(shè)備逐漸向大型化發(fā)展[1-3]。由于礦區(qū)段輔助運輸巷穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)較為嚴(yán)重地變形，使得礦區(qū)段輔助運輸巷巷道支護較為艱難[4]。因此，為了保障采礦工程的安全性，需要對煤層巷道錨桿錨索支護體系的變形情況進行監(jiān)測。

近幾年頻發(fā)的煤礦安全事故，引起了社會各界的關(guān)注，相關(guān)研究人員針對支護體系安全問題提出了相應(yīng)的解決辦法，其中，王峰[5]等人主要面向砂卵石深基坑圍護結(jié)構(gòu)提出了一種變形監(jiān)測方法，該方法在砂卵石條件下，通過分析得到了圍護樁水平位移的時空變化規(guī)律，并通過構(gòu)建有限元模型，對樁體水平位移進行計算，獲取具體的變形數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，圍護結(jié)構(gòu)體系可以有效控制樁體的水平位移程度，但是其計算結(jié)果仍與實際結(jié)果存在一定的差距。楊暉[6]提出一種基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法，該方法采用FLAC3D與蠕變模型模擬圍護結(jié)構(gòu)體系，并計算土體重度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角等數(shù)據(jù)，參照歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)對圍護結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測。實驗結(jié)果表明，該方法具有計算步驟簡單的優(yōu)勢，但是由于沒有考慮到振動、土體變化等因素對支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不具備可靠性。金生吉[7]等提出一種公路隧道深基坑圍護樁受力與變形監(jiān)測方法，該方法以圍護樁受力情況計算結(jié)果為基礎(chǔ)，運用測斜儀對圍護樁的水平位移進行監(jiān)測。根據(jù)實驗結(jié)果得出，在完成基坑底板澆筑后，圍護樁變形不會產(chǎn)生較大波動。雖然該方法可以描述形變特點，但是監(jiān)測結(jié)果的科學(xué)性還有待提升。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大部分學(xué)者提出的監(jiān)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，但是監(jiān)測結(jié)果的可靠性不高，礦區(qū)段煤層巷道仍然具有安全隱患。因此，本文設(shè)計一種新的煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法，實現(xiàn)對支護體系的有效監(jiān)控，保障采礦工作平穩(wěn)運行。

1 煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法

1.1 錨桿錨索支護體系工作機理與形變分析

圍巖擴容變形和破壞由滑動、離層和裂隙張開等因素導(dǎo)致，為了抑制圍巖出現(xiàn)拉伸、剪切破壞和變形，需要通過錨桿支護盡量保持錨固區(qū)圍巖的完整性，降低錨固區(qū)圍巖整體強度下降幅度。與普通錨桿相比錨索能夠降低礦區(qū)段輔助運輸巷巷道頂部的變形擴張[8-10]。錨桿錨索聯(lián)合支護體系工作機理如圖1所示。

圖1 聯(lián)合支護機理Figure 1 Combined supporting mechanism

依照錨桿錨索聯(lián)合支護機理，基于極限平衡理論獲取礦區(qū)段輔助運輸巷巷道的極限平衡區(qū)半徑和該區(qū)圍巖深度[11-12]，計算公式如下所示：

(1)

S=r1-r0

(2)

式中：S表示圍巖深度，m；z1和y1分別表示水平位移形變量和空間位移形變量，mm；r1表示極限平衡區(qū)半徑，m；r0表示圍巖半徑，m；J1表示位移變形軌跡；θ表示支護體系內(nèi)摩擦角，°；N表示位移修正系數(shù)。

1.2 未發(fā)生形變條件下錨桿支護參數(shù)獲取

基于錨桿錨索支護體系工作機理，從礦區(qū)段輔助運輸巷出發(fā)，獲取變形監(jiān)測點，具體的計算公式如下所示：

P0=(x0,y0)

(3)

式中：x0,y0表示監(jiān)測點的橫、縱坐標(biāo)；P0表示巷道埋深，m。

極限平衡區(qū)深入圍巖深度和巷道周圍支護加固的最大厚度是1.121m，錨固長度為1m，錨桿外露長度為0.1m，則錨桿長度的計算公式如下所示：

C=C1+C2+C3

(4)

式中：C表示錨桿長度，m；C1表示錨桿錨入巖層的高度，m；C2表示錨桿外露長度，m；C3表示錨固長度，m。在實際應(yīng)用中，將錨桿長度取值為2.31～2.41m，則極限平衡區(qū)寬度的計算公式如下所示[13]：

(5)

式中：M表示煤層采高，m；α表示測壓系數(shù)；φ0表示內(nèi)摩擦角，°；k表示應(yīng)力集中系數(shù)；γ表示上覆巖平層平均容重，N/m3；H表示煤層埋深，m；η表示頂煤碎裂影響的折減系數(shù)；γ0表示頂煤容重，N/m3；M0表示頂煤厚度，m；c0表示內(nèi)聚力，Pa；p0表示支架對煤壁水平方向施加的載荷，Pa。依照錨桿直徑確定錨桿間排距，假設(shè)錨桿間距等于排距，且巷道頂部錨桿直徑為20mm時，可得到下述公式：

O=Q/(KcLcosχ)

(6)

式中：O表示錨桿間排距，m；Q表示頂錨桿錨固力，kN；K表示錨桿安全系數(shù)；c表示巖石容重，kN/m3；χ表示巖石傾角，°。充分考慮礦區(qū)段輔助運輸巷安全儲備情況，實際工程中當(dāng)頂錨桿距離為20mm時，錨桿間距和排距均應(yīng)在0.79～0.89m。同理可計算出未發(fā)生形變條件下不同巷道頂部錨桿直徑下錨桿的間距和排距。錨桿支護參數(shù)如表1所示。

表1 錨桿參數(shù)Table 1 Rock bolting parameters

由于不同錨桿具有不同的主干直徑，當(dāng)錨桿直徑有所差異時，錨桿間距和排距也存在一定差異，應(yīng)依照實際情況選取適當(dāng)?shù)腻^桿支護參數(shù)作為變形分析的參照參數(shù)[14]。

1.3 變形監(jiān)測的實現(xiàn)

以獲取的未發(fā)生形變條件下錨桿支護參數(shù)作為參照，對支護體系變形情況進行檢測，通過對比，得出變形結(jié)果，從而實現(xiàn)對煤層巷道錨桿錨索支護體系變形的有效監(jiān)測。

構(gòu)建錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測模型，分析錨桿錨索支護體系是否安全[15]。通常情況下，需要利用大量的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建變形監(jiān)測模型，并且數(shù)據(jù)需要滿足分布條件。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含已知和未知的信息[16]，因此，可以將監(jiān)測模型作為灰色問題進行討論，灰色預(yù)測模型通過微分方程進行表述，一元一階模型為GM(1,1)，采用累加生成法來生成n期監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)成的時間序列，表達式如下：

X={x1,x2,…,xn}

(7)

式中：xn表示監(jiān)測數(shù)據(jù)維度；n表示監(jiān)測數(shù)據(jù)量。利用一元一階模型的白化方程構(gòu)建一階微分方程：

(8)

式中：，u表示一階微分方程的周期解；α代表待求的參數(shù)，利用最小二乘準(zhǔn)則對其進行深層次求解：

(9)

式中：i表示變形監(jiān)測指標(biāo)；j表示變形異常值；λj表示參數(shù)估計；ui表示最優(yōu)估計值。

將公式(9)代入到微分方程中，可以求得解：

α′=(xn-u/α)+u/α

(10)

對公式計算所得的解進行累減生成，獲得錨桿錨索支護體系變形的監(jiān)測值：

αu=α-α′=(1-eα)(xn-u/α)

(11)

式中：α′表示求解過程中產(chǎn)生的誤差值；eα表示累減次數(shù)。利用公式(11)實現(xiàn)了對錨桿錨索支護體系變形的監(jiān)測。

2 實驗分析

為了驗證所設(shè)計煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法的有效性，選取陜西黃陵二號煤礦作為實驗區(qū)域進行實驗驗證。以面向砂卵石深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測方法[5]、基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法[6]和公路隧道深基坑圍護樁受力與變形監(jiān)測方法[7]為對比方法，驗證所設(shè)計方法的優(yōu)勢性。

2.1 實驗方案與參數(shù)設(shè)置

1)監(jiān)測地點設(shè)置。在錨桿錨索支護結(jié)構(gòu)四周設(shè)置4個監(jiān)測點，分別為監(jiān)測點A、監(jiān)測點B、監(jiān)測點C和監(jiān)測點D，各個監(jiān)測點的距離均為0.5m。

2)監(jiān)測時間。2019年5月1—30日，監(jiān)測周期為5d/次，總共6次，為期一個月。

3)監(jiān)測方法。采用本文方法對4個監(jiān)測點進行監(jiān)測，并取多次測量的平均值，以此來確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在上述實驗方案下，給出具體的實驗區(qū)域各項參數(shù)。所選礦區(qū)段輔助運輸巷斷面面積為14.8m2，斷面形狀為矩形，高度為4.0m，寬度為7.3m，錨索間距為1.2m，排距為1.5m，錨桿間距和排距均為0.7m，黏聚力為6MPa，容重為17kN/m2，內(nèi)摩擦角為30°，剪切模量為0.1GPa，巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)為0.33(圖2)。

圖2 錨桿錨索布置情況Figure 2 Rock bolting and anchor cabling layout

以上述實驗環(huán)境參數(shù)為基礎(chǔ)，將實驗搭載在處理器為Intel Core-M480I5CPU@2.67GHz，內(nèi)存為16GB，操作系統(tǒng)為32位，版本為Windows10系統(tǒng)的硬件條件下進行。

2.2 實驗結(jié)果及其分析

為綜合研究所設(shè)計方法監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要獲取錨桿錨索支護體系實際位移量，具體包括礦區(qū)段輔助運輸巷巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊２捎萌緝x對實驗區(qū)域中監(jiān)測點C的實際位移量進行觀測，進行3個周期的測量，總計15d。通過實際觀測得出的具體數(shù)據(jù)如表2所示。

以表2中所示的數(shù)據(jù)為參照，計算監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確率：

表2 巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平縏able 2 Roadway roof and floor,two sides moving closer extents

(12)

式中：xi表示監(jiān)測后獲得的形變量；κ表示實際形變量。

圖3為不同方法的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性對比結(jié)果。分析圖3可知，采用所設(shè)計方法對錨桿錨索支護體系變形進行監(jiān)測時，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率明顯高于傳統(tǒng)方法，其準(zhǔn)確率最高值為75%，而傳統(tǒng)方法的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率僅低于40%。并且不同迭代次數(shù)下，所設(shè)計方法的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率變化趨勢不大，說明該方法的監(jiān)測結(jié)果具有穩(wěn)定性。這是由于該方法充分考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含已知和未知的信息，運用灰色預(yù)測模型對不同類型的信息進行求解從而獲取更加準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果。

圖3 監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性對比Figure 3 Monitoring results accuracy comparison

為了進一步驗證所設(shè)計方法的有效性，以監(jiān)測耗時為實驗指標(biāo)，對比不同方法的監(jiān)測效率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測時間對比結(jié)果Figure 4 Monitoring time compared result

分析圖4可知，采用所設(shè)計方法對錨桿錨索支護體系變形進行監(jiān)測時，監(jiān)測耗時始終低于1.5s，其與傳統(tǒng)方法的監(jiān)測時間差距明顯。說明該方法具有較高的監(jiān)測效率，可以為煤礦安全問題提供及時的保障。

經(jīng)上述實驗對比結(jié)果可知，所設(shè)計方法具有可靠性高和及時性的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)段輔助運輸巷聯(lián)合支護主要是通過錨桿錨索支護礦區(qū)段輔助運輸巷巷道，為提升巷道安全性，需要采用合理的監(jiān)測手段對其進行安全監(jiān)測。經(jīng)實驗驗證，所設(shè)計方法有效改善了傳統(tǒng)方法監(jiān)測耗時較長和監(jiān)測結(jié)果不可靠的問題，可以為提升礦區(qū)段輔助運輸巷穩(wěn)定性提供理論參考。