沈明柱

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光纖光柵技術(shù)在塔山礦高應(yīng)力顯現(xiàn)巷道中的應(yīng)用

沈明柱

摘要采用光纖光柵技術(shù)對(duì)塔山礦高應(yīng)力顯現(xiàn)巷道進(jìn)行礦壓觀測(cè)，通過監(jiān)測(cè)巷道變形、錨桿受力情況等數(shù)據(jù)，分析相鄰工作面回采對(duì)已掘巷道的動(dòng)壓影響范圍及強(qiáng)度，為后續(xù)對(duì)采對(duì)掘巷道掘進(jìn)支護(hù)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞光纖光柵；高應(yīng)力；支護(hù)載荷；監(jiān)測(cè)

0引言

塔山礦3～5#層二盤區(qū)8216工作面5216巷，沿煤層底板掘進(jìn)，根據(jù)提供的資料，5216巷在前掘過程中揭露24條正斷層及1條火成巖墻（1.00 m～2.40 m寬）。此外，同時(shí)該巷道相鄰8214現(xiàn)采工作面，受相鄰工作面采動(dòng)影響，動(dòng)壓顯現(xiàn)明顯，頂板悶響頻繁，頂?shù)装寮皟蓭妥冃螄?yán)重，巷道穩(wěn)定控制難度大。為此我們?cè)?216巷采用光纖光柵技術(shù)監(jiān)測(cè)巷道受力變形情況，為巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)估和支護(hù)方案的繼續(xù)優(yōu)化與合理性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括圍巖支護(hù)荷載變化規(guī)律、頂板離層和巷道表面位移。圍巖支護(hù)荷載變化通過監(jiān)測(cè)錨桿受力進(jìn)行。錨桿受力采用光柵錨桿、電子測(cè)力錨桿和錨桿(索)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂板離層采用光柵頂板離層儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道表面位移監(jiān)測(cè)采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行。

1.1圍巖支護(hù)荷載變化規(guī)律監(jiān)測(cè)

1.1.1監(jiān)測(cè)手段

監(jiān)測(cè)圍巖支護(hù)載荷變化規(guī)律監(jiān)測(cè)采用KNPGDY70G型光纖光柵測(cè)力錨桿、KDM-1型測(cè)力錨桿和KNP-GMY150G型光纖光柵錨桿(索)壓力傳感器對(duì)巷道支護(hù)受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具體布置如圖1、2。

圖1測(cè)力錨桿布置示意(單位/mm)

每一監(jiān)測(cè)斷面布置3根光纖光柵測(cè)力錨桿，分別位于頂板中部和兩幫中部。

KNP-GMY150G光纖光柵錨桿(索)壓力傳感器布測(cè)站布設(shè)在測(cè)站錨桿測(cè)站1～1.5倍錨桿排距范圍內(nèi)，但需另外打錨桿或用已安裝的錨桿(視錨桿外露長(zhǎng)度而定)。錨桿(索)壓力傳感器布置如圖2所示。

圖2錨桿(索)壓力傳感器布置示意(單位/mm)

每一測(cè)站布設(shè)3個(gè)KNP-GMY150G型光纖光柵錨桿(索)壓力傳感器，兩幫和頂板各1個(gè)，監(jiān)測(cè)錨桿所受的總軸力。錨桿(索)壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過光纜將傳輸?shù)降孛嬷鳈C(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

1.2監(jiān)測(cè)及測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)8214工作面回采和5216順槽掘進(jìn)該巷道的疊加影響，特在回采與掘巷交鋒面一定范圍內(nèi)布置礦壓監(jiān)測(cè)站，如23頁(yè)圖3所示。

圖3礦壓測(cè)站布置示意

礦壓監(jiān)測(cè)站布設(shè)在5216順槽內(nèi)，該巷道掘進(jìn)和8214工作面回采交鋒面前約10 m布置第三個(gè)測(cè)站，后退70 m和140 m分別布置第二個(gè)、第一個(gè)測(cè)站，以繼續(xù)監(jiān)測(cè)采動(dòng)影響。

2巷道表面位移及內(nèi)部離層監(jiān)測(cè)

巷道圍巖位移是巷道巖體強(qiáng)度、地應(yīng)力以及工程條件綜合作用的最終體現(xiàn)。為研究巷道開挖至穩(wěn)定的應(yīng)力調(diào)整過程中圍巖位移情況，對(duì)巷道圍巖表面收斂及內(nèi)部離層情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1圍巖表面位移監(jiān)測(cè)

巷道表面位移測(cè)量可以采用十字布點(diǎn)法，設(shè)置表面位移監(jiān)測(cè)斷面（見圖4）。

圖4巷道表面位移監(jiān)測(cè)示意(單位/mm)

巷道表面位移測(cè)站布設(shè)在測(cè)力錨桿測(cè)站1～1.5倍錨桿排距范圍內(nèi)，以方便數(shù)據(jù)對(duì)比分析。頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)位于頂板或底板中部，兩幫測(cè)點(diǎn)距巷道底板約1.5m位置。安裝測(cè)點(diǎn)時(shí)需注意，4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在一個(gè)斷面內(nèi)，以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2頂板離層監(jiān)測(cè)

頂板離層監(jiān)測(cè)采用KNP-GUG180型光纖光柵離層傳感器(圖5)進(jìn)行。

圖5 KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器示意

KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器主要用于測(cè)試頂板巖層錨固范圍內(nèi)位移量。其工作原理是通過將離層儀基點(diǎn)錨頭固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，淺基點(diǎn)固定在運(yùn)動(dòng)巖層內(nèi)。當(dāng)巖層有離層現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，錨頭及測(cè)試?yán)K向下移動(dòng)時(shí)，離層儀內(nèi)光纖光柵受力發(fā)生相應(yīng)改變，引起波長(zhǎng)變化。

2.2.1巷道頂板離層監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

圖6為KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器布設(shè)位置示意圖。

圖6離層傳感器布設(shè)位置示意(單位/mm)

每一測(cè)站布設(shè)1個(gè)KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器于巷道頂板中部，監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度分別為3 m和8 m，與錨桿、錨索長(zhǎng)度相匹配。

3傳感器布置平面

為研究8214工作面回采對(duì)5216順槽掘進(jìn)期間影響規(guī)律，特在回采與掘進(jìn)交鋒面一定范圍內(nèi)布置錨桿受力與巷道變形監(jiān)測(cè)站（該試驗(yàn)段支護(hù)方式為頂板破碎段支護(hù)方案），三個(gè)測(cè)站分別位于5216巷1 380 m、1 445 m、1 490 m處（從盤區(qū)回風(fēng)巷算起），交鋒位置為1 519 m處。其中測(cè)站Ⅰ與測(cè)站Ⅱ間距為65 m，測(cè)站Ⅱ與測(cè)站Ⅲ距離為45 m。具體位置見24頁(yè)圖7所示。

圖7礦壓測(cè)站布置示意

測(cè)力錨桿全部選用Φ25×2 530 mm，錨固長(zhǎng)度約為1 150 mm，每根測(cè)力錨桿布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)分布情況如圖8所示。

圖8測(cè)點(diǎn)位置分布

4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

4.1測(cè)站Ⅲ監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

圖9測(cè)站Ⅲ數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖9（a~c）為光纖光柵測(cè)力錨桿應(yīng)力增量變化曲線，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明鄰近工作面回采對(duì)錨桿工作狀態(tài)影響較大。隨著回采面接近測(cè)站Ⅲ，各錨桿軸力的受力逐漸增大，回采面超前測(cè)站Ⅲ10 m~20 m開始，軸力變化趨勢(shì)加?。划?dāng)回采工作面錯(cuò)過測(cè)站Ⅲ120 m后，軸力的增量變化趨勢(shì)變緩，最后趨于穩(wěn)定。

左幫（工作面幫）錨桿軸力增量最大出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2處，為167 kN；最小增量出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4處為88 kN。左幫錨桿受力明顯大于右?guī)?，是由于右?guī)蛧鷰r的擾動(dòng)范圍較大，整個(gè)錨固區(qū)域均在擾動(dòng)范圍內(nèi)，錨固區(qū)被整體擠出，所以錨桿受力較??；而左幫圍巖的擾動(dòng)范圍較小，錨固端位于彈性區(qū)域內(nèi)，所以左幫錨桿軸力增量較大。

4.2測(cè)站Ⅱ監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

圖10測(cè)站Ⅱ數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖10（a~c）測(cè)力錨桿的數(shù)據(jù)變化規(guī)律與圖9 （a~c）的變化規(guī)律大致相同，-20 m~80 m距離內(nèi)，錨桿軸力增量變化趨勢(shì)加劇，且沒有明顯放緩趨勢(shì)。

對(duì)比圖10（a）與圖9（a）可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)站Ⅱ處右?guī)湾^桿受力明顯大于測(cè)站Ⅲ，說明測(cè)站Ⅱ處煤柱幫的擾動(dòng)范圍小于測(cè)站Ⅲ，錨桿錨固端位于彈性區(qū)內(nèi)。

4.3巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.3.1掘進(jìn)期間巷道變形

掘進(jìn)期間巷道變形如圖11所示，頂板的最大下沉量為40 mm，兩幫總的收斂量為60 mm，右?guī)偷淖冃瘟繛?5 mm，占兩幫收斂量的41.7%，掘進(jìn)工作面超過測(cè)點(diǎn)80 m以后巷道變形趨于穩(wěn)定。

圖11掘進(jìn)期間巷道變形

4.3.2鄰近工作面回采期間巷道變形結(jié)果

鄰近工作面回采期間巷道變形如圖12所示，頂板最大下沉量為138 mm，兩幫總的收斂量為190 mm，而右?guī)偷淖冃瘟窟_(dá)到125 mm，占兩幫收斂量的66%，頂板的下沉量為右?guī)鸵平康?.1倍，回采期間巷道變形量明顯大于掘進(jìn)期間變形量，回采期間頂板下沉量和兩幫收斂量分別是掘進(jìn)期間的3.5倍和3.2倍?；夭晒ぷ髅娌蛇^測(cè)點(diǎn)120 m以后，巷道變形速率變緩趨于穩(wěn)定。

圖12鄰近工作面回采期間巷道變形

5結(jié)論

（1）鄰近8214工作面回采對(duì)5216巷道超前影響范圍較小為10 m~20 m，但滯后影響范圍較大，超過120 m；

（2）5216巷煤柱幫錨桿的受力小于工作面采煤幫，但煤柱幫的變形量較大，占總變形量的66%，

說明煤柱幫圍巖破壞范圍明顯大于工作面幫，并且煤柱幫錨固區(qū)域被整體擠出，錨桿支護(hù)沒有發(fā)揮出最大的效果；

（3）相鄰8214工作面回采速度對(duì)5216巷巷道礦壓顯現(xiàn)影響較大，當(dāng)8214工作面回采速度大于5 m/ d時(shí)，對(duì)應(yīng)5216巷測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到錨桿支護(hù)受力增大較快，巷道變形速度較大，當(dāng)回采速度低于3 m/d時(shí)，對(duì)應(yīng)5216巷測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到錨桿支護(hù)受力穩(wěn)定，巷道變形趨緩。

沈明柱，男，1963年12月出生，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)寺塔煤礦有限責(zé)任公司工作，高級(jí)工程師。

Application of Fiber Bragg Grating Technology for Obvious High Stress Roadway in Tashan Mine

Shen Mingzhu

Abstract：Using fiber bragg grating technology carries on mine pressure observation for obvious high stress roadway in Tashan Mine, by monitoring the data of roadway deformation, bolt stress state and so on, the dynamic pressure influence scope and intensity adjacent of digged roadway by caving mining working face are analyzed, the theoretical basis for subsequent mining support is provided.

Key words：fiber bragg grating; high stress; support load; monitoring

收稿日期：2016-01-22

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TD326

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1000-4866 (2016) 01-0022-04