基于礦壓監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置的巷道圍巖穩(wěn)定性研究

孔令超

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

1 地質(zhì)概況

本次研究挑選的采區(qū)地處北斜井盲斜井筒西側(cè)，標(biāo)高為地上440 m，煤層分布于490～640 m間，當(dāng)開采的深度不斷增加時(shí)，周圍的地質(zhì)狀況也更加復(fù)雜，巷道內(nèi)破壞面積越來越大，造成破壞的核心因素為煤質(zhì)變松以及應(yīng)力不斷集中，當(dāng)前巷道歷經(jīng)數(shù)次翻修，存在非常嚴(yán)重的安全隱患。

2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

在設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)時(shí)，采用理論計(jì)算法與工程類比法，最終得到的結(jié)果為：頂板錨桿的直徑為22 mm，長度為2 200 mm，材質(zhì)為螺紋鋼；兩側(cè)錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，所有錨桿間的距離均為600 mm。錨索的直徑為15.24 mm，長度為6 000 mm，按照矩形設(shè)計(jì)，彼此間的距離為1 800 mm。錨桿與錨桿利用鋼筋梯連接，其直徑為14 mm，寬度為100 mm；在巷道的表層架設(shè)有菱型的網(wǎng)格，寬度為800 mm，具體尺寸為50 mm×50 mm，具體設(shè)計(jì)的情況如圖1所示。

圖1 錨桿、 錨索布置示意圖（mm）

3 巷道礦壓觀測點(diǎn)布置

3.1 測量表面位移量具體操作步驟與原理

該指標(biāo)實(shí)際上就是巷道頂?shù)装迮c兩側(cè)巷道施工過程中所出現(xiàn)的相對(duì)位移量。通過研究該項(xiàng)指標(biāo)，能夠研究項(xiàng)目啟動(dòng)到巷道穩(wěn)定的時(shí)間段，表面位移量與圍巖裸露時(shí)間的具體規(guī)律，進(jìn)而尋找圍巖位移與錨桿支護(hù)模式、參數(shù)間的具體數(shù)量關(guān)系，方便量化支護(hù)效果，進(jìn)而挑選更加合理的支護(hù)模式。

實(shí)際研究過程中，底鼓比較模糊，因此只針對(duì)頂板下沉量與兩側(cè)位移量作為研究對(duì)象，具體使用三角形測量法獲取結(jié)果，將頂板假設(shè)為A，兩側(cè)巷道基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置為B與C。具體情況如圖2所示。

圖2 表面位移基點(diǎn)布置示意圖

實(shí)際測量時(shí)，測量儀器選擇為收斂計(jì)，初始數(shù)值分別為：LAB、LAC、LBC，任意時(shí)刻巷道變形后讀數(shù)分別為：A'、B'、C'，具體記錄的參數(shù)為：LA'B'、LA'C'、LB'C'，原理為三角形表面收斂原理，具體情況如圖3所示。

圖3 觀測斷面三角形表面收斂計(jì)算圖

假如A、B、C三點(diǎn)的位置發(fā)生變化后，能夠形成三角形ΔA'B'C'，其仍然處于閉合狀態(tài)，如果E點(diǎn)固定不變，其與三個(gè)頂點(diǎn)的初始距離為h、XB、XC。參照勾股定理能夠得到如下關(guān)系式：

某個(gè)特定時(shí)刻，E點(diǎn)到三個(gè)頂點(diǎn)的距離為hA'、xB'、xC'，同理可知：

運(yùn)算后能夠得到測點(diǎn)的具體位移量為：

3.2 頂板離層觀測基點(diǎn)的安設(shè)

判斷巷道穩(wěn)定性時(shí)經(jīng)常會(huì)參照頂板離層，其屬于非常重要的指標(biāo)。如果離層超過某個(gè)臨界值時(shí)，很可能出現(xiàn)破壞與冒頂，故將該臨界值稱為頂板失穩(wěn)離層界限值，簡稱為離層限。當(dāng)開采區(qū)域地質(zhì)狀況、采動(dòng)影響度等不同時(shí)，離層限也不相同，因此在確立該參數(shù)時(shí)要綜合考慮各種影響因素。假如生產(chǎn)過程中，該項(xiàng)數(shù)值超過臨界值時(shí)，要積極尋找出現(xiàn)問題的根本原因，第一時(shí)間采取有限措施解決問題，避免事態(tài)擴(kuò)大化[1]。在頂板離層中往往會(huì)安裝KGE30C圍巖離層報(bào)警儀，一旦超過預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)聲。具體原理為：實(shí)時(shí)獲取基點(diǎn)與頂板外表面的位移狀況，獲取離層的具體參數(shù)，進(jìn)而做出判斷。深部基點(diǎn)往往安裝在錨索端部，而淺基點(diǎn)往往安裝在錨桿端部位置。

3.3 錨（索）動(dòng)態(tài)錨固力監(jiān)測儀的安設(shè)

錨桿支護(hù)中經(jīng)常會(huì)對(duì)錨桿受力情況進(jìn)行監(jiān)測。主要就是為了掌握錨桿受力的具體狀況，掌握其與圍巖變形的具體關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化錨桿的支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)的效果。絕大多數(shù)煤礦采取MJ－40錨桿測力計(jì)，在固定的位置提前安裝錨固力監(jiān)測儀，實(shí)時(shí)掌握其變化狀況[2]。

4 礦壓觀測結(jié)果分析

4.1 巷道表面位移的觀測結(jié)果分析

經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到的表面位移的具體數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，巷道表面位移量為縱坐標(biāo)，繪制曲線關(guān)系圖，具體情況如圖4所示。

按照?qǐng)D4給出的數(shù)據(jù)可知：施工后的特定時(shí)間段內(nèi)，圍巖始終處于運(yùn)動(dòng)中，頂板的最大下沉量為46.2 mm，兩側(cè)最大的收斂量為80 mm。施工15 d后，巷道周邊圍巖將穩(wěn)定不變，也就是說巷道基本上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)模式與參數(shù)比較理想，能夠支撐巷道正常運(yùn)行。

圖4 觀測斷面表面位移變化曲線圖

4.2 頂板離層觀測結(jié)果分析

頂板離層分析曲線見圖5。按照上圖給出的數(shù)據(jù)與信息可知：施工18 d內(nèi)，頂板離層在不斷地增加，隨后逐步趨于穩(wěn)定，直接表明支護(hù)與圍巖不斷作用，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。具體數(shù)據(jù)為：2 m內(nèi)最大離層量為20 mm，2～6 m內(nèi)離層最大變化量為28 mm。頂板的離層量并不大，也就是在現(xiàn)有的支護(hù)設(shè)施能夠有效地控制煤層的穩(wěn)定性，此次設(shè)計(jì)過程中給出的參數(shù)能夠滿足實(shí)際需求，巷道的穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)。

圖5 第一觀測斷面離層變化曲線圖

4.3 錨固力觀測結(jié)果分析

兩斷面錨固力觀測變化曲線見圖6。

圖6 第一斷面錨固力變化曲線圖

通過圖6可知：錨桿與錨索的錨固力在巷道施工起始階段不斷變大，不過速率并不大。處于觀測期間，錨固力也始終處于變化狀態(tài)，不過其變化的幅度比較小，往往在施工前15 d內(nèi)變化最為明顯，通過巷道圍巖與錨桿、錨索的不斷作用，彼此相互協(xié)調(diào)與改變，最終能夠趨于穩(wěn)定，數(shù)值將不會(huì)發(fā)生變化。兩側(cè)錨桿受力情況與變化規(guī)律類似，頂板的數(shù)值最大，重力與構(gòu)造應(yīng)力不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致頂板下沉，因此錨桿要承受巨大的壓力。研究錨索的錨固力發(fā)現(xiàn)，其大小比錨桿錨固力較大，表明錨索能夠控制的范圍更大，支護(hù)效果更加理想。當(dāng)前，錨索受到的外力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其自身極限值，能夠滿足巷道穩(wěn)定性需求[3]。

5 結(jié)論

通過此次現(xiàn)場試驗(yàn)，觀察巷道表面位移、頂板離層與錨桿（索）動(dòng)態(tài)錨固力的變化，發(fā)現(xiàn)該支護(hù)方案能夠有效地提升巷道穩(wěn)定性，滿足安全需求。在常規(guī)生產(chǎn)階段，要實(shí)時(shí)監(jiān)測巷道礦壓，將其作為日常監(jiān)測項(xiàng)目，有效地提升開采的安全系數(shù)。本次得到的研究數(shù)據(jù)與結(jié)論對(duì)煤礦日常生產(chǎn)具有非常重要的意義。

[1] 王雙喜.煤巷錨桿支護(hù)的施工設(shè)計(jì)及礦壓監(jiān)測[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（24）：286-287.

[2] 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007：179-205.

[3] 耿獻(xiàn)文.礦山壓力測控技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002：122-126.