張超 盛杰 張斌

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院 北京 100089；2.山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司山西忻州 036700）

鉆爆法是現(xiàn)今巖石巷道掘進(jìn)施工中最常用的方法，我國有95%的巖石巷道都采用鉆爆法施工［1-2］。隨著國內(nèi)外專家的努力，傳統(tǒng)的鉆爆法施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟［3］，但是，在煤礦的巖巷鉆爆法掘進(jìn)施工中，巷道的安全穩(wěn)定依舊是要著重注意的問題。在井巷施工中，支護(hù)是保證巷道安全穩(wěn)定的重要工序［4］。在巷道施工中的5 個(gè)主要工序“破、通、裝、運(yùn)、支”中，爆破是每一循環(huán)的先行工序，支護(hù)是每一循環(huán)的最后一個(gè)工序，下一循環(huán)的爆破對(duì)上一個(gè)循環(huán)的支護(hù)形成擾動(dòng)，會(huì)對(duì)支護(hù)的效果造成一定的影響［5］。

同煤集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司的山4#層?xùn)|盤區(qū)8107頂回風(fēng)巷是一條專用的排瓦斯巷，當(dāng)巷道貫通后，就不再進(jìn)人，故而，在支護(hù)方案的選取上，支護(hù)強(qiáng)度不宜過大進(jìn)而影響掘進(jìn)速度，也不宜過小從而導(dǎo)致圍巖受到礦壓的作用失穩(wěn)破壞，尤其在爆破擾動(dòng)后產(chǎn)生頂板突然下沉的現(xiàn)象。為了驗(yàn)證同煤集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司8107頂回巷現(xiàn)有的支護(hù)方案是否可靠，利用YTJ20鉆孔窺視儀及DLJ-3型頂板離層儀支護(hù)區(qū)頂板巖層支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，從而確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全性。

1 工程概況

8107頂回巷是8107工作面專用排瓦斯巷，設(shè)計(jì)長度為1930m（從輔運(yùn)巷算起），巷道東高西低，坡度為1°～3°，平均坡度為2°，是下山巷道，服務(wù)年限為8107 工作面回采完畢，貫通后不再進(jìn)人。巷道為矩形斷面，規(guī)格為4.2m（寬）×2.5m（高）。頂板巖性特征：基本是頂厚度為13.2～13.6m的粉砂巖，直接頂是厚度為1.8m的粉砂巖。幫部片幫比較嚴(yán)重，但根據(jù)十字布點(diǎn)法檢測得知，巷道幫部縮進(jìn)位移為0。

2 支護(hù)方案

8107頂回巷采用Φ20mm、L=2000mm 的左旋無縱筋螺紋鋼作為頂錨桿，錨桿托盤選用拱形托盤，配合球形墊規(guī)格為120mm×120mm×10mm；采用Φ17.8mm、L=6300mm 的鋼絞線作為錨索，錨索托盤的規(guī)格為300mm×300mm×16mm，配以4000mm（長）×250mm（寬）×3mm（厚）的W型鋼帶與3.7m（長）×1.7m（寬）、網(wǎng)徑為50mm×50mm的8號(hào)鐵絲編織的菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。具體的支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 8107頂回巷支護(hù)示意圖

（1）錨桿。矩形布置，間排距為1000mm×1200mm，沿中心線對(duì)稱布置，頂部布置4排。錨桿安裝方向與巖面呈75°～90°角，鉆孔深度2000mm，錨桿外露長度為螺母外1～3cm，錨桿間排距誤差不超過±100mm。錨桿的抗拔力不小于100kN，錨桿預(yù)緊扭矩不小于200N·m，錨桿錨固長度不得低于900mm，每個(gè)錨桿孔放1 個(gè)MSK2330+1個(gè)MSZ2360樹脂錨固劑。

（2）錨索。共一排錨索，巷道中間布置。錨索安裝方向與巖面呈75°～90°角，間距為2.0m，錨索間距允許偏差為±100mm，錨索外露長度為鎖具外150～250mm，預(yù)應(yīng)力不小于100kN，錨固長度不得低于1500mm，每個(gè)錨索孔放2個(gè)MSK2360+1個(gè)MSZ2330樹脂錨固劑。

3 鉆孔窺視儀監(jiān)測

3.1 鉆孔窺視儀工作原理

鉆孔窺視儀由探頭、探桿、顯示、控制、防爆電源組成。探頭部分是由紅外發(fā)光源、光路變換裝置、圖像傳感器、防水及防塵與防爆等機(jī)械部分組成。孔壁物質(zhì)的像由放入鉆孔中的探頭收集后，經(jīng)光路變換進(jìn)入圖像傳感器，再放大產(chǎn)生全電視信號(hào)，送入控制單元，將該信號(hào)處理后，顯示在4in的液晶顯示屏上。通過觀測探桿的刻度，就可以知道圖像的位置，以便精確地確定孔內(nèi)情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用的是YTJ20鉆孔窺視儀。該儀器具有以下幾個(gè)主要的特點(diǎn)。

（1）分辨率高。由數(shù)十萬、數(shù)百萬素構(gòu)成的窺視系統(tǒng)相對(duì)于光纖窺視系統(tǒng)，其分辨率要高出數(shù)十倍至數(shù)百倍。

（2）抗干擾能力強(qiáng)。該儀器可以將探頭所探測到的信號(hào)通過數(shù)據(jù)線直接傳輸?shù)浇邮掌魃?，故而減少了干擾。

（3）數(shù)據(jù)清晰直觀。該儀器可將數(shù)字?jǐn)z像轉(zhuǎn)換成柱狀圖，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、面、體多方位展現(xiàn)，測試圖像的清晰度高，結(jié)果一目了然。

（4）體積小，質(zhì)量輕，便于攜帶，操作簡單方便。

（5）信號(hào)接收全面。該儀器接收的信號(hào)不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)數(shù)據(jù)的傳輸受到消耗，信息通過直觀、快速、準(zhǔn)確、可靠的接收儀器與計(jì)算機(jī)連接，便于分析和處理圖像。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在剛完成的支護(hù)區(qū)域內(nèi)，鉆6m 的孔深，在下一循環(huán)的爆破完成后，將窺視儀的探頭慢速、勻速地深入，并操作主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集記錄。通過觀測圖像，可以獲得爆破后上一循環(huán)的支護(hù)區(qū)的頂板巖層的分層情況，以檢測爆破擾動(dòng)對(duì)支護(hù)效果的影響。從0.70m 左右開始，巖性開始發(fā)生變化，巖石的顏色由黑色變?yōu)榛野咨?，此時(shí)，巖性由泥質(zhì)砂巖變?yōu)榧?xì)砂巖，2.76m后變巖性改變?yōu)榇稚皫r。在以上的觀測范圍內(nèi)，沒有薄弱層出現(xiàn)，亦沒有發(fā)現(xiàn)離層的現(xiàn)象，爆破擾動(dòng)下，該支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證圍巖穩(wěn)定安全。

4 頂板離層儀監(jiān)測

頂板離層儀是專用于監(jiān)測頂板巖層移動(dòng)的儀器，主要由4個(gè)部分組成，即基點(diǎn)錨固器、托盤、標(biāo)尺、測試?yán)K，具有監(jiān)測數(shù)據(jù)采集簡單直觀、使用方便的優(yōu)點(diǎn)［6］。頂板離層儀是目前監(jiān)測巷道頂板離層失穩(wěn)的最常用、最直觀、最有效的方式［7］。頂板離層儀可以顯示錨桿、錨索長度范圍內(nèi)，以及錨桿、錨索同范圍外的頂板巖層的離層情況。頂板離層儀可以直觀地為煤礦安全檢測人提供頂板巖層的變化情況［8］，從而有效地防止頂板塌落事故的發(fā)生，確保巷道施工作業(yè)人員的安全。為了更直觀地研究爆破擾動(dòng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，在使用鉆孔窺視儀觀測頂板巖層變化的同時(shí)，利用頂板離層儀對(duì)頂板巖層的變化進(jìn)行監(jiān)測。

4.1 監(jiān)測方案

選用DLJ-3 型頂板離層儀，安裝位置在窺視儀鉆孔同排左側(cè)1200mm 處，用Φ28mm 的鉆頭鉆孔。深基點(diǎn)深度設(shè)置與錨索長度相同，淺基點(diǎn)深度設(shè)置與錨桿長度相同，用錨索將深部基點(diǎn)錨固器推入孔中直至設(shè)計(jì)位置，抽出錨索后，手拉一下鋼絲繩，確認(rèn)錨固器已錨固牢固，然后再將淺基點(diǎn)錨固器推入孔中設(shè)計(jì)位置，抽出錨桿后，手拉一下鋼絲繩，確認(rèn)錨固器已錨固牢固。將套管組件（其下端為固定點(diǎn)）插入鉆孔口，同時(shí)將鋼絲繩從刻度尺端向外拉，確保兩個(gè)刻度尺指示環(huán)移動(dòng)順暢，不受任何卡阻，并確認(rèn)套管組件已固定在鉆孔中。將淺部標(biāo)尺初始讀數(shù)設(shè)置為10mm，深部標(biāo)尺初始讀數(shù)設(shè)置為20mm，每次進(jìn)尺后都對(duì)其進(jìn)行讀數(shù)，直至連續(xù)3次深部與淺部標(biāo)尺都無位移產(chǎn)生為止。

4.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

表1所示為頂板離層儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，從中可以看出，前6次進(jìn)尺深部標(biāo)尺均有位移產(chǎn)生，而此時(shí)工作面距離測點(diǎn)8.8m；前7次進(jìn)尺淺部標(biāo)尺均有位移產(chǎn)生，而此時(shí)工作面距離測點(diǎn)10.2m。在爆破擾動(dòng)和礦壓的共同作用下，頂板產(chǎn)生一定的下沉位移，但是位移量很小，最大不超過10mm，爆破擾動(dòng)并未造成頂板突然下沉現(xiàn)象的產(chǎn)生。隨著工作面與測點(diǎn)的距離增加，位移量逐漸減小直至沒有位移產(chǎn)生，支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，累積總位移量最大為35.7mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到離層的現(xiàn)象，頂板維持在安全的狀態(tài)中。

表1 頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

從鉆孔窺視儀得到的圖像中可以看出，在爆破擾動(dòng)后，剛支護(hù)結(jié)束的支護(hù)區(qū)未產(chǎn)生頂板大面積塌落，頂板巖層未有薄弱層出現(xiàn)，也沒有離層的現(xiàn)象產(chǎn)生，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證穩(wěn)定與安全。根據(jù)頂板離層儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證，爆破擾動(dòng)下，未產(chǎn)生突然的頂板下沉量，頂板巖層產(chǎn)生隨著工作面推進(jìn)逐漸減小的下沉位移，且隨著工作面的推進(jìn)，影響逐漸減小直至幾乎沒有影響，累積的總位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到離層現(xiàn)象，現(xiàn)有的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證圍巖的穩(wěn)定與安全。