翁海龍

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦,山西 忻州 034000)

巷道是煤礦開(kāi)采的必要“安全”通道,它的暢通、穩(wěn)定是煤礦安全的基本條件之一[1]。隨著礦井開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展,大型綜掘機(jī)械設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用,巷道斷面尺寸不斷增大[2-3]。雖然這一變化促進(jìn)了煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展,但也給巷道支護(hù)帶來(lái)諸多難題,成為影響煤礦安全生產(chǎn)的問(wèn)題之一[4]。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估,結(jié)果證明錨桿支護(hù)方法可行時(shí),巷道錨桿主動(dòng)支護(hù)技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì),在巷道支護(hù)方式采用率中占有很大比重[5]。但錨支設(shè)計(jì)并不是一般的“一次性”設(shè)計(jì)模式,還需對(duì)錨桿(索)支護(hù)巷道進(jìn)行后續(xù)針對(duì)性的監(jiān)測(cè)分析,對(duì)存在危險(xiǎn)區(qū)段采取有效“數(shù)據(jù)讀取”分析和對(duì)應(yīng)控制措施[6]。本文以現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)手段為基礎(chǔ),對(duì)錨桿支護(hù)巷道監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解讀,并結(jié)合巷道破壞變形特征規(guī)律給出了自己的觀點(diǎn),證明“支護(hù)初次設(shè)計(jì)+監(jiān)測(cè)分析+補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+優(yōu)化設(shè)計(jì)”動(dòng)態(tài)提升式支護(hù)理念的合理性,結(jié)合在保德礦的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),給出現(xiàn)有錨支巷道礦壓監(jiān)測(cè)分析及巷道變形分析,希望能夠給其他采用錨桿支護(hù)巷道的礦井技術(shù)人員提供經(jīng)驗(yàn)。

1 錨桿(索)主動(dòng)作用機(jī)理

1.1 錨桿與錨索的特點(diǎn)

錨桿與錨索兩者只是量的區(qū)別,原理上是相同的,只是張、拉介質(zhì)有所不同。錨索的受拉筋是用較長(zhǎng)的鋼絞線制作,錨桿是用較短的鋼筋或鋼管制作,故錨索的錨固范圍和所能承受的張、拉力更大,而錨桿由于其材質(zhì)的特性抗剪能力較強(qiáng)。

1.2 主要工作原理

錨桿(索)支護(hù)對(duì)巷道圍巖有懸吊作用、組合梁作用、補(bǔ)強(qiáng)作用、擠壓聯(lián)結(jié)作用、擠壓加拱固作用等。錨桿可將直接頂?shù)能浫鯉r層懸吊于其上部較堅(jiān)固穩(wěn)定的巖層,又用預(yù)緊力擠壓錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)的巖石,部分恢復(fù)三軸受力狀態(tài),結(jié)合錨桿提供的剪斷阻力,成塊片狀的巖石之間相互咬合,形成了擠壓梁拱,防止冒頂失穩(wěn)。較長(zhǎng)的錨索則將“擠壓梁拱”進(jìn)一步吊掛在更為穩(wěn)定的老頂上,形成更大尺度的組合梁拱結(jié)構(gòu)。

2 錨支巷道監(jiān)測(cè)方法

錨支設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,突出信息反饋的作用,及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行彌補(bǔ)更正,確保煤礦巷道安全。錨支巷道監(jiān)測(cè)分為綜合監(jiān)測(cè)和日常監(jiān)測(cè)。綜合監(jiān)測(cè)目的是驗(yàn)證或修正錨桿錨索支護(hù)初始設(shè)計(jì),評(píng)價(jià)和調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)。日常監(jiān)測(cè)目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,采取必要措施,保證巷道安全。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有巷道表面位移、圍巖深部位移、頂板離層量、錨桿工作載荷、錨索工作載荷及巷表噴層受力。根據(jù)巷道長(zhǎng)度及圍巖條件,確定測(cè)站的合理間距、數(shù)量及觀測(cè)周期。

2.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

巷道表面位移監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、頂板下沉量、底鼓量、兩幫相對(duì)移近量和巷幫位移量。以綜采工作面兩順槽為例，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采用“十字”測(cè)量法,觀測(cè)內(nèi)容分為頂板、底板、正幫、副幫變形量。測(cè)點(diǎn)測(cè)量參數(shù)和測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 巷道斷面測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量方法

2.2 頂板離層量監(jiān)測(cè)

每間隔一定距離安設(shè)頂板離層指示儀,間隔距離應(yīng)根據(jù)巷道圍巖條件確定,該礦正常巷道按100 m間隔安設(shè),在正在掘進(jìn)巷道中應(yīng)緊跟掘進(jìn)工作面進(jìn)行安設(shè),并對(duì)已經(jīng)安裝的測(cè)站采取有效的保護(hù)措施。頂板離層指示儀的淺基點(diǎn)B安裝深度由錨桿長(zhǎng)度確定(錨桿錨固深度位置),深基點(diǎn)A安裝在不小于巷道跨度的1.5倍位置,一般為錨索長(zhǎng)度,如圖2所示。

圖2 巷道頂板離層儀安裝示意圖

頂板離層量監(jiān)測(cè)是日常監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容,通過(guò)頂板安設(shè)的頂板離層指示儀監(jiān)測(cè)頂板變形離層情況,也能通過(guò)幫部安設(shè)的深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)巷幫圍巖深部位移情況,其作用機(jī)理基本一致,以下簡(jiǎn)單介紹頂板離層指示儀的數(shù)據(jù)讀取和觀察周期的設(shè)定原則。

1)離層范圍與各基點(diǎn)讀數(shù)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示?；c(diǎn)的相對(duì)位移參考原點(diǎn)為傳感器,A、B兩點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)位移量分別為dataA，dataB。dataB反映出B基點(diǎn)以下的離層量,dataA與dataB之差反映出A基點(diǎn)和B基點(diǎn)之間的離層量。通過(guò)選擇A、B基點(diǎn)的安裝深度,可以粗略地計(jì)算出發(fā)生離層的范圍、數(shù)值,及對(duì)應(yīng)的錨桿(索)的延伸長(zhǎng)度和托盤(pán)的變形之和。正常條件下,規(guī)范安裝頂板離層指示儀后數(shù)值邏輯關(guān)系是:淺部區(qū)發(fā)生離層,必然帶動(dòng)深部區(qū),而深部區(qū)發(fā)生離層,未必帶動(dòng)淺部區(qū)。

圖3 頂板離層指示儀監(jiān)測(cè)離層位置示意圖

2)巖巷掘進(jìn)工作面100 m內(nèi)、煤層大巷距掘進(jìn)工作面50 m內(nèi)、回采巷道距掘進(jìn)工作面50 m內(nèi)和回采工作面100 m內(nèi),綜合測(cè)站(儀器)與日常監(jiān)測(cè)頂板離層儀的觀測(cè)周期為每天應(yīng)不少于一次。在以上3種規(guī)定范圍以外,觀測(cè)周期可為每周一次。如果離層有明顯增長(zhǎng),則視情況增加觀測(cè)次數(shù)、縮短觀測(cè)周期,必要時(shí)采取措施防止發(fā)生冒頂?shù)仁鹿省?/p>

2.3 錨桿(索)工作載荷監(jiān)測(cè)

錨桿(索)應(yīng)力傳感器采用液壓應(yīng)變式或應(yīng)變彈性體結(jié)構(gòu),安裝在錨桿螺栓與托盤(pán)之間或錨索索具與托盤(pán)之間,用于測(cè)量錨桿、錨索軸向載荷應(yīng)力,如圖4所示。通常將錨桿、錨索屈服強(qiáng)度的90%作為錨桿、錨索(應(yīng)力傳感器)以及現(xiàn)場(chǎng)管控的預(yù)警值。

圖4 錨桿(索)應(yīng)力傳感器及安裝示意圖

2.4 巷表噴層受力監(jiān)測(cè)

巷表噴層受力即巷道表面采用混凝土噴漿作業(yè)進(jìn)行護(hù)表,其噴射混凝土的受力情況。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括噴層軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力,采用混凝土應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)噴層混凝土受力。圍巖初噴以后,在初噴面上固定應(yīng)力計(jì),然后再?gòu)?fù)噴,將傳感器全部覆蓋并使傳感器居中。復(fù)噴混凝土達(dá)到初凝強(qiáng)度時(shí)開(kāi)始測(cè)取讀數(shù),鋼弦式應(yīng)力計(jì)如圖5所示。

圖5 噴射混凝土監(jiān)測(cè)應(yīng)力傳感器安裝示意圖

噴射混凝土層所受應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且噴射混凝土層應(yīng)力前期增長(zhǎng)較快,15 d基本趨于穩(wěn)定,通過(guò)測(cè)量值,對(duì)照設(shè)計(jì)強(qiáng)度,可說(shuō)明噴射混凝土對(duì)圍巖有加固作用。

3 錨支巷道礦壓監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)錨支巷道測(cè)站的持續(xù)監(jiān)測(cè),可在巷道同一位置監(jiān)測(cè)出巷道表面位移、頂板離層量、巷幫圍巖深部位移、錨桿(索)工作載荷等情況,具有極高的巷道礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析價(jià)值。

3.1 巷道變形監(jiān)測(cè)分析

我礦巷道表面位移現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采用“十字”測(cè)量法,可直接測(cè)量得出頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?。通過(guò)頂板離層儀可以得到巷道頂板下沉量,安裝在幫部的深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)儀則可以明確某幫的變形位移值。即通過(guò)巷道表面位移現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、頂板離層儀監(jiān)測(cè)和任一幫部深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合考慮就可以得出該測(cè)站位置處的巷道頂板下沉量、底鼓量以及左、右?guī)透髯缘淖冃瘟俊?/p>

通過(guò)對(duì)我礦兩順槽超前段巷道圍巖變形情況的持續(xù)監(jiān)測(cè),得到某月份圍巖變形量隨距工作面距離變化曲線，如圖6所示。

圖6 81308工作面一號(hào)進(jìn)風(fēng)順槽某測(cè)點(diǎn)移近量折線圖

該月份的最大巷道變形量出現(xiàn)在81308一號(hào)進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi),該巷道斷面尺寸為5.4 m×3.8 m。最大底鼓量為90 mm、最大頂板下沉量80 mm、正幫最大幫鼓量180 mm、副幫最大幫鼓量180 mm,變形量較大位置為距離工作面前方0～30 m,壓力影響范圍減小,最大影響范圍達(dá)到50 m附近。由圖6可以明顯看出，在高應(yīng)力大斷面巷道受工作面回采擾動(dòng)時(shí),兩幫首先出現(xiàn)明顯的變形,且副幫(煤柱側(cè))對(duì)回采擾動(dòng)的回應(yīng)效應(yīng)更大一些。在良好的支護(hù)條件下,巷道變形量會(huì)逐步增長(zhǎng)并會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,其中當(dāng)?shù)装逡平吭鲩L(zhǎng)落后于兩幫移近量,適當(dāng)?shù)靥嵘ぷ髅婊夭伤俣扔欣诟邞?yīng)力大斷面回采巷道的維護(hù)。

3.2 錨桿(索)工作載荷監(jiān)測(cè)分析及其與離層儀數(shù)值的聯(lián)合考慮

根據(jù)巷道服務(wù)期間變形情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)所安裝的錨桿(索)應(yīng)力傳感器測(cè)得的工作載荷隨時(shí)間變化趨勢(shì)能作如下判斷:錨桿(索)的工作狀態(tài)是否正常;錨桿(索)工作阻力利用率;所選錨桿(索)的合適程度(較小、富裕、合適)等。同時(shí)將錨桿(索)工作載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與離層儀數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行考慮,幫助我們把控現(xiàn)場(chǎng)巷道礦壓顯現(xiàn)及變形情況。

結(jié)合2.2節(jié)及圖3分析現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)可能出現(xiàn)的6種情形:dataA變化,錨索工作載荷沒(méi)有變化(離層發(fā)生在錨索之外);dataB變化,錨索的工作載荷也增大(接近支護(hù)強(qiáng)度時(shí)危險(xiǎn));錨索工作載荷增大,dataA無(wú)明顯變化(理想);dataB變化,錨桿工作載荷沒(méi)有變化(支護(hù)失效,危險(xiǎn));dataB變化,錨桿、錨索的工作載荷也變化(接近支護(hù)強(qiáng)度時(shí)危險(xiǎn));現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形明顯、頂板離層儀數(shù)值和錨桿錨索工作載荷傳感器數(shù)值增大,這種狀況最為危險(xiǎn),要全面分析離層范圍及嚴(yán)重程度,制定對(duì)應(yīng)措施,按“處理冒頂安全技術(shù)措施”和“回風(fēng)巷道修復(fù)安全技術(shù)措施”進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4 巷道圍巖應(yīng)力變形特征分析

4.1 巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律分析

原巖在巷道開(kāi)掘前通常處于彈性壓縮狀態(tài),巷道開(kāi)掘后,三向受壓狀態(tài)的煤巖體臨近巷道的一側(cè)出現(xiàn)一個(gè)自由面,集聚在原巖內(nèi)的彈性能得到釋放,圍巖發(fā)生形變,巷道圍巖應(yīng)力不斷更新,直至圍巖形變停止,巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到重新的平衡。此時(shí),以巷道為中心向外依次為破碎區(qū)(應(yīng)力降低區(qū))、承載區(qū)(應(yīng)力增高區(qū))和圍巖深處的穩(wěn)定區(qū)(原巖應(yīng)力區(qū)),如圖7所示。

p-原巖應(yīng)力;σt-切向應(yīng)力;σr-徑向應(yīng)力;pi-支護(hù)阻力;r-巷道半徑;R-塑性區(qū)半徑;A-應(yīng)力降低區(qū);B-應(yīng)力增高區(qū);C-原巖應(yīng)力區(qū)。

在各向等壓條件下,圓形巷道塑性區(qū)半徑R和周邊位移u的計(jì)算式為:

(1)

(2)

式中,p,pi分別是原巖應(yīng)力和支護(hù)阻力，MPa;r0是圓形巷道半徑,m;φ、C和G分別是圍巖內(nèi)摩擦角、圍巖的內(nèi)聚力和圍巖的剪切彈性模數(shù)。

由上式可知,巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層原巖應(yīng)力p、反映巖石強(qiáng)度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力C等。巷道的周邊位移u(與巷道的塑性區(qū)半徑R正相關(guān))隨巷道所在位置原巖應(yīng)力p的增大迅速增長(zhǎng),巖石內(nèi)摩擦角φ值越小u值增長(zhǎng)愈迅速。

4.2 超前支撐壓力監(jiān)測(cè)

由于實(shí)際條件限制,巷道斷面一般為半圓拱、梯形或矩形,與雙向等壓圓形巷道圍巖塑性區(qū)計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果式(1)式(2)相比,在巷道斷面的四角處出現(xiàn)應(yīng)力集中,塑性變形更加顯著。同時(shí),由于地質(zhì)構(gòu)造和采動(dòng)擾動(dòng)的影響,巷道圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)不規(guī)則蝶形,隨著工作面的推進(jìn),巷道圍巖的主應(yīng)力大小和方向不斷發(fā)生調(diào)整,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)也不斷地發(fā)生變化。一般可通過(guò)工作面綜采液壓支架工作阻力和超前支護(hù)支架或單體液壓支柱的工作阻力監(jiān)測(cè),來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面采動(dòng)擾動(dòng)影響下的巷道頂板壓力情況。以保德煤礦81308一號(hào)回風(fēng)順槽道超前支護(hù)單體液壓支柱的工作阻力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為例進(jìn)行分析,如圖8所示。

從圖8中可以看出，本組單體液壓支柱的工作阻力在距工作面煤壁23 m和45 m處出現(xiàn)顯著變化,這是由于頂板破斷長(zhǎng)度和高度的發(fā)育具有大致的極限和周期性。工作面后上方頂板破斷情況發(fā)育到該時(shí)刻,對(duì)回采巷道頂板造成的載荷在距工作面煤壁0～23 m范圍內(nèi)處于較高水平,預(yù)判在距工作面煤壁45 m及更遠(yuǎn)的位置,回采造成的超前支撐壓力處于較低水平。超前支架或單體支柱對(duì)于錨支巷道起著重要部位補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的作用,超前支護(hù)設(shè)備的工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)于超前支架或單體支柱的位置布置和選型是否合理具有重要的評(píng)估作用。壓力峰值處是錨支巷道最易發(fā)生破壞的位置,應(yīng)對(duì)該部位的頂板和巷幫變形破壞情況多加監(jiān)測(cè),作為本巷道安全警報(bào)之一。

圖8 81308一號(hào)回風(fēng)順槽道超前支護(hù)單體液壓支柱的工作阻力

5 總結(jié)

對(duì)于高應(yīng)力大斷面錨支巷道而言,錨支設(shè)計(jì)在礦井實(shí)際施工后要及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),將巷道受掘進(jìn)、采動(dòng)影響的監(jiān)測(cè)結(jié)果用于驗(yàn)證、修正和完善錨支設(shè)計(jì),完善后的支護(hù)設(shè)計(jì)為下次設(shè)計(jì)提供寶貴的工程經(jīng)驗(yàn),并在井下再次進(jìn)行檢驗(yàn)。本文以保德煤礦高應(yīng)力大斷面錨支巷道為例,簡(jiǎn)單介紹了巷道變形監(jiān)測(cè)方法及其破壞特征預(yù)計(jì)分析,有以下幾點(diǎn)啟示:

1)高應(yīng)力大斷面巷道受回采擾動(dòng)時(shí),兩幫變形超前于頂?shù)装遄冃?煤柱幫變形回應(yīng)回采擾動(dòng)更為迅速和劇烈,可作為巷道來(lái)壓變形的一種指標(biāo),重點(diǎn)觀測(cè)有助于技術(shù)人員及時(shí)把控順槽礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

2)在良好的支護(hù)條件下,高應(yīng)力大斷面巷道變形量會(huì)受到支護(hù)物的限制,呈現(xiàn)一種長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性增長(zhǎng)的“蠕變”規(guī)律。

3)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的綜合考慮,將巷道超前支撐壓力、錨桿(索)工作載荷結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道宏觀變化情況進(jìn)行科學(xué)合理的關(guān)聯(lián)性分析,可及時(shí)采取相應(yīng)的工程措施并修正原支護(hù)參數(shù),確保煤礦巷道安全與穩(wěn)定。