全線動態信息跟蹤法及其應用

文/周煜博

隨著采深的不斷延伸，地應力不斷增強，地質構造日益復雜，對于一條巷道從開口到掘進結束要經歷不同的地應力強度和地質構造，傳統的靜態信息設計方法已經無法適應整條巷道的支護設計要求，必須探索應用一種快速、有效的設計方法。

一、煤巷錨桿支護設計方法評價

1.傳統支護設計方法

傳統錨桿支護設計以工程類比法和理論分析法為主，一是用于設計的基礎參數是巷道周圍某幾個點（甚至僅一個點）的綜合地質技術資料的平均值，導致一方面巷道絕大部分區域設計的錨桿參數過高，增加了支護成本，降低了巷道的掘進速度；二是使巷道的某些局部地質技術條件變化區域設計的錨桿支護參數不足，引發局部冒頂事故；三是依據的基礎性參數缺乏定量化評價指標，導致錨桿支護參數設計缺乏科學性、合理性和確定性。

2.動態信息設計法

動態信息設計能夠充分利用每個過程中提供的信息及時加以修正。主要包括5個部分：試驗巷道調查與地質力學評估、初始設計、井下監測、信息反饋和修正設計、日常監測。其中，試驗巷道調查包括圍巖強度、圍巖結構、地應力及錨固性能測試等內容。在此基礎上進行地質力學評估和圍巖分類、為初始設計提供可靠的參數，根據圍巖參數和已有實測數據確定出比較合理的初始設計。

由于部分礦區自身無法完成在試驗巷道調查中的地應力測試、地質力學評估等內容，在安全的前提下，需要使用更便捷、更快速的煤巷錨桿支護設計方法，保證設計的可靠性。

3.全線動態信息跟蹤設計方法

該設計方法摒棄了以上兩種設計方法的缺點，是一種全新的設計理念與現代信息技術相結合的方法。具體方法如下：

⑴全面分析相鄰工作面基礎地質技術數據，進行地質力學評估，將其分成正常支護段參數和構造破碎帶參數，而不是簡單地取其平均值。

⑵根據獲得的地質技術數據，用FLAC3D數值模擬方法確定錨桿支護初始參數。

⑶進行工程實踐，并全線進行動態信息跟蹤，獲得應力、圍巖、支護三者相互作用結果的綜合信息。

⑷根據礦壓實測信息，進行支護效果評價。依據支護效果評價、修改原始資料數據，并用重新設計巷道待掘進部分的錨桿支護參數，再實踐。

二、工程實踐

王莊煤礦6203工作面為62采區首采工作面，現已采完。6201工作面為其相鄰工作面。通過分析6201工作面與6203工作面各項數據，在分析6203工作面掘進及回采歷史基礎資料后，得出6201工作面地質參數和力學參數可以參照6203工作面，垂直主應力為7.84/ MPa，最大水平主應力為6.95/ MPa，最小水平主應力為3.55/ MPa。

1.6201工作面開切眼支護初始參數確定

6201工作面開切眼寬7.8m，高3m。經過FLAC3D數值計算，確定開切眼臨近采空區50m段錨桿支護初始參數。

(1)頂板支護：第一次掘進采用6根直徑20mm、長度2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距1000mm；第二次掘進采用5根直徑20mm、長度2 4 0 0 m m的高強度螺紋鋼錨桿，間距900mm，排距1000mm。采用樹脂藥卷加長錨固，每根錨桿用兩支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷，孔底一支為雙速藥卷，分別為超快和中速，各長300mm，超快在孔底，外面一支為中速。一次掘進每3000mm安裝2套錨索，二次掘進每3000mm安裝1套錨索，錨索直徑為17.8mm，長度為8.3m，錨索配件采用400mm長的18號槽鋼一塊、100×100×8mm的鋼板一塊、鎖具一個，錨索采用3支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷錨固，孔底1支為雙速，分別為超快和中速，各長300mm，超速在孔底，外面2支為中速。

(2)兩幫支護：一次掘進臨時幫采用3根直徑16mm、長度2000mm的玻璃鋼錨桿，間排距均為1000mm，老塘幫采用3根直徑20mm、長度2000mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距均為1000mm。采用樹脂藥卷錨固，每根錨桿用一支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷。二次掘進時推進幫采用16mm、長度2000mm的玻璃鋼錨桿，間排距均為1000mm。采用樹脂藥卷錨固，每根錨桿用1支直徑23mm、長度600mm樹脂藥卷。

2.全線動態信息跟蹤

對6201工作面開切眼臨近采空區段進行“全線動態信息”監測，主要監測內容有錨桿軸力、頂底板移近量、兩幫移近量以及頂板離層等，頂底板和兩幫移近量如圖所示。

由圖得出，在開掘的20m段，開切眼頂底板移近量已達到44mm，且兩幫移近量達130 mm，對錨桿軸力監測發現錨桿軸力普遍偏高，局部區域頂板離層約10~30mm,現場觀察發現開切眼周圍小型構造比較發育，圍巖與6203開切眼同段相比更加破碎。

3.6201工作面開切眼支護參數修正

通過FLAC3D模擬重新確定切眼臨近采空區段待掘部分的支護參數。重新設計后的支護參數為：頂板采用直徑22mm、長度2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，兩幫采用直徑22mm、長度2000mm的高強度螺紋鋼錨桿，錨桿的排距縮小為900mm，錨索的排距為2700mm，其余參數不變。

再次對修改參數后的開切眼臨近采空區段進行“全線動態信息”監測，修改支護參數后的頂底板和兩幫移近量如圖所示。

修改后的支護方案頂底板移近量僅為24 mm，兩幫移近量僅為63mm，比初始方案分別減少了83%和106%，并且頂底板和兩幫移近速度迅速穩定下來，錨桿軸力監測顯示最大的軸力僅為錨桿屈服極限的60%，錨桿還有很大的承載空間，頂板離層儀顯示頂板幾乎沒有離層。

三、結論

1.全線動態信息跟蹤法能夠快速制定初始參數，設計的針對性強，設計的可靠性高，可以預測巷道頂板圍巖的穩定性，有利于科學化管理，工程質量易于保證，簡化了設計基礎的采集工作。

2.全線動態信息跟蹤法通過對整條巷道的頂底板和兩幫移動、錨桿軸力以及頂板離層等進行監測，分析其中的變化規律，從而有利于對巷道圍巖運動規律的進一步認識，為其他巷道的施工提供可靠的依據。