煤巷錨桿支護(hù)的全線跟蹤設(shè)計(jì)方法

【摘 要】傳統(tǒng)的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法存在一些弊端。全線跟蹤設(shè)計(jì)方法是一種全新的煤巷錨桿支護(hù)方法，其關(guān)鍵技術(shù)為支護(hù)前期的頂板巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)，支護(hù)后期的頂板微變形監(jiān)測(cè)。此方法實(shí)現(xiàn)了邊施工、邊監(jiān)測(cè)、邊修改，在實(shí)踐中具有應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】煤巷；錨桿支護(hù)；全線跟蹤設(shè)計(jì)

0 前言

煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的選擇，對(duì)于巷道支護(hù)效果、井下的正常生產(chǎn)和工人的人身安全都起著非常重要的作用。設(shè)計(jì)方案是否科學(xué)，直接關(guān)系到巷道支護(hù)質(zhì)量、巷道頂板安全，也直接影響支護(hù)的經(jīng)濟(jì)合理性。全線跟蹤設(shè)計(jì)方法是一種新的煤巷錨桿支護(hù)方法，設(shè)計(jì)的核心是錨桿鉆機(jī)在施工頂板鉆孔時(shí)，通過(guò)錨桿鉆機(jī)的鉆速、推力、風(fēng)壓等因素，進(jìn)行頂板巖層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果.進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)。為了將冒頂事故降到最低，在監(jiān)測(cè)方面采用獨(dú)立開(kāi)發(fā)的頂板微變形監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，預(yù)測(cè)支護(hù)后頂板危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。

1 在煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法上存在的弊端

目前，煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)主要以應(yīng)用工程類比與理論分析相結(jié)合的方法確定錨桿支護(hù)參數(shù)，并應(yīng)用理論方法再進(jìn)行校核。運(yùn)用這種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)存在如下問(wèn)題。

（1）煤巷長(zhǎng)度一般為500—2000m，地質(zhì)條件復(fù)雜、多變，具有不確定性，設(shè)計(jì)前還存在一些未探明的小褶曲、斷層和高應(yīng)力區(qū)，用于設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)是巷道周圍某幾個(gè)點(diǎn)（甚至僅一個(gè)點(diǎn)）的綜合地質(zhì)技術(shù)資料的平均值，設(shè)計(jì)出的錨桿參數(shù)為整條巷道的設(shè)計(jì)依據(jù)，針對(duì)性不強(qiáng)。

（2）依據(jù)的基礎(chǔ)性參數(shù)缺乏定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，導(dǎo)致錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)、合理和確定性。

（3）巷道絕大部分區(qū)域設(shè)計(jì)的錨桿參數(shù)過(guò)高，不僅浪費(fèi)了大量材料，增加了支護(hù)成本；也降低了巷道的掘進(jìn)速度，又使巷道的局部地質(zhì)技術(shù)條件變化區(qū)域，設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)參數(shù)不足，引發(fā)局部冒頂事故。

（4）支護(hù)效果監(jiān)測(cè)采用傳統(tǒng)的頂板離層儀和多點(diǎn)位移計(jì)。主要表現(xiàn)為巷道整個(gè)服務(wù)期間都在一定位置監(jiān)測(cè)，而且測(cè)站的位置也比較少，與巷道頂板巖層的變化不適應(yīng)。

2 全線跟蹤設(shè)計(jì)方法的核心

全線跟蹤設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)將要掘進(jìn)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行全線動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)，選取和量化關(guān)鍵指標(biāo)。支護(hù)前期通過(guò)錨桿鉆機(jī)的鉆孔，進(jìn)行頂板巖層結(jié)構(gòu)的探測(cè)，通過(guò)錨桿鉆機(jī)的鉆速、風(fēng)壓、推力，進(jìn)行頂板巖層結(jié)構(gòu)的識(shí)別；支護(hù)后期為了提高頂板的安全性，找到存在冒頂危險(xiǎn)的區(qū)域。方法是采用能夠測(cè)量頂板微小變形的儀器，它能夠安裝到頂板錨桿上，監(jiān)測(cè)錨固范圍的頂板的巖層變形情況，通過(guò)對(duì)頂板位移的實(shí)時(shí)觀測(cè)，預(yù)測(cè)頂板危險(xiǎn)區(qū)域。

3 全線跟蹤設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容

3.1 地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

巷道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，即使同類巖層，因受埋深、原巖應(yīng)力矢量、節(jié)理裂隙分布以及賦存時(shí)間等因素的影響，其力學(xué)參數(shù)的離散性也較大。地質(zhì)力學(xué)訐估主要包括：松動(dòng)圈測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)量、頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)試驗(yàn)。其中，松動(dòng)圈能夠反應(yīng)巷道圍巖的變形與破壞情況，預(yù)測(cè)巷道圍巖破碎區(qū)域，為錨桿支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。地應(yīng)力大小和方向，對(duì)巷道的合理布置和支護(hù)方式的選擇至關(guān)重要，它是進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)參數(shù)評(píng)估的重要一項(xiàng)，同時(shí)也是數(shù)值模擬分析的重要參數(shù)之一。地應(yīng)力測(cè)量的方法，一般采用應(yīng)力解除法。頂?shù)装辶W(xué)試驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)室利用伺服試驗(yàn)機(jī)，將現(xiàn)場(chǎng)采集的試件進(jìn)行試驗(yàn)（包括三軸和單軸），取得相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)。利用圍巖分類方法，將地質(zhì)力學(xué)參數(shù)歸結(jié)為一個(gè)統(tǒng)一指標(biāo)，即“巖體工程質(zhì)量指標(biāo)”，對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)值模擬分析與初始方案確定

將采集的數(shù)據(jù)（包括松動(dòng)圈大小、地應(yīng)力大小、頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)）作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬軟件采用美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)的FLAC有限差分計(jì)算程序，這種方法適用于巖石力學(xué)的非線性大變形或不穩(wěn)定（如滑動(dòng)或分離）問(wèn)題，其計(jì)算模型網(wǎng)格能以大應(yīng)變模式變形并隨材料流動(dòng)。通過(guò)對(duì)多個(gè)方案的數(shù)值模擬分析，得到相對(duì)最佳的支護(hù)方案。這項(xiàng)支護(hù)方案主要是將現(xiàn)場(chǎng)的錨桿材料（如錨桿的長(zhǎng)度、直徑）提供大致的參考范圍。

3.3 頂板巖層結(jié)構(gòu)的探測(cè)與參數(shù)調(diào)整

頂板的巖層組合“劣化”是產(chǎn)生巷道頂板冒落的重要原因。這是指頂板巖層組合由穩(wěn)定型向非穩(wěn)定型轉(zhuǎn)變，而導(dǎo)致巷道冒頂?shù)捻敯鍘r層組合。所以，為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究了頂板巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)儀，通過(guò)對(duì)錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)特性（包括鉆速、風(fēng)壓、推力等參數(shù)）的連續(xù)監(jiān)測(cè)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)巖層結(jié)構(gòu)的識(shí)別，預(yù)測(cè)冒頂隱患區(qū)域，實(shí)時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

3.4 頂板微變形監(jiān)測(cè)與危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)

支護(hù)后的頂板由于受斷層、裂隙、巖層結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布等因素的影響，都會(huì)有不同程度的冒頂危險(xiǎn)。直觀反應(yīng)到頂板的特征為變形，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，頂板的變形會(huì)擴(kuò)展，圍巖的破壞由表面向內(nèi)部發(fā)展，最終導(dǎo)致冒頂；所以，頂板的初始變形的規(guī)律至關(guān)重要，它能夠反應(yīng)破壞的趨勢(shì)。以往的觀測(cè)數(shù)據(jù)，只停留在簡(jiǎn)單的位移上，雖然能夠反應(yīng)某點(diǎn)或幾點(diǎn)的變化，但是覆蓋的位置很小，所以全線跟蹤的監(jiān)測(cè)頂板變形的方法就應(yīng)運(yùn)而生。

3.5 采取的措施

采取的措施主要包括支護(hù)后巷道與支護(hù)前巷道。支護(hù)后巷道通過(guò)獨(dú)立研制的微變形監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行頂板微變形趨勢(shì)的全程監(jiān)測(cè)，得出頂板變形隨巷道長(zhǎng)度及支護(hù)時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)數(shù)學(xué)處理與模式識(shí)別技術(shù)預(yù)測(cè)頂板危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)于待支護(hù)巷道（主要是掘進(jìn)斷面）參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)頂板微變形監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)前方的結(jié)果和頂板巖層結(jié)構(gòu)探測(cè)儀的探測(cè)結(jié)果綜合分析，確定合理的錨桿參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

全線跟蹤煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)，真正做到了實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，巷道的每處基礎(chǔ)數(shù)據(jù)力求做到貼近實(shí)際。利用微變形監(jiān)測(cè)儀測(cè)量頂板錨固區(qū)圍巖微變形量，與其它監(jiān)測(cè)方法相比，具有周期短、密度大、精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)觀測(cè)結(jié)果分析，觀測(cè)效果較好，利用此觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的參數(shù)修改比較合理。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]