基于礦壓監測點優化布置的巷道圍巖穩定性研究

孔令超

（同煤浙能麻家梁煤業公司， 山西 朔州 036000）

1 地質概況

本次研究挑選的采區地處北斜井盲斜井筒西側，標高為地上440 m，煤層分布于490～640 m間，當開采的深度不斷增加時，周圍的地質狀況也更加復雜，巷道內破壞面積越來越大，造成破壞的核心因素為煤質變松以及應力不斷集中，當前巷道歷經數次翻修，存在非常嚴重的安全隱患。

2 錨桿支護設計參數

在設計巷道支護參數時，采用理論計算法與工程類比法，最終得到的結果為：頂板錨桿的直徑為22 mm，長度為2 200 mm，材質為螺紋鋼；兩側錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，所有錨桿間的距離均為600 mm。錨索的直徑為15.24 mm，長度為6 000 mm，按照矩形設計，彼此間的距離為1 800 mm。錨桿與錨桿利用鋼筋梯連接，其直徑為14 mm，寬度為100 mm；在巷道的表層架設有菱型的網格，寬度為800 mm，具體尺寸為50 mm×50 mm，具體設計的情況如圖1所示。

圖1 錨桿、 錨索布置示意圖（mm）

3 巷道礦壓觀測點布置

3.1 測量表面位移量具體操作步驟與原理

該指標實際上就是巷道頂底板與兩側巷道施工過程中所出現的相對位移量。通過研究該項指標，能夠研究項目啟動到巷道穩定的時間段，表面位移量與圍巖裸露時間的具體規律，進而尋找圍巖位移與錨桿支護模式、參數間的具體數量關系，方便量化支護效果，進而挑選更加合理的支護模式。

實際研究過程中，底鼓比較模糊，因此只針對頂板下沉量與兩側位移量作為研究對象，具體使用三角形測量法獲取結果，將頂板假設為A，兩側巷道基準點設置為B與C。具體情況如圖2所示。

圖2 表面位移基點布置示意圖

實際測量時，測量儀器選擇為收斂計，初始數值分別為：LAB、LAC、LBC，任意時刻巷道變形后讀數分別為：A'、B'、C'，具體記錄的參數為：LA'B'、LA'C'、LB'C'，原理為三角形表面收斂原理，具體情況如圖3所示。

圖3 觀測斷面三角形表面收斂計算圖

假如A、B、C三點的位置發生變化后，能夠形成三角形ΔA'B'C'，其仍然處于閉合狀態，如果E點固定不變，其與三個頂點的初始距離為h、XB、XC。參照勾股定理能夠得到如下關系式：

某個特定時刻，E點到三個頂點的距離為hA'、xB'、xC'，同理可知：

運算后能夠得到測點的具體位移量為：

3.2 頂板離層觀測基點的安設

判斷巷道穩定性時經常會參照頂板離層，其屬于非常重要的指標。如果離層超過某個臨界值時，很可能出現破壞與冒頂，故將該臨界值稱為頂板失穩離層界限值，簡稱為離層限。當開采區域地質狀況、采動影響度等不同時，離層限也不相同，因此在確立該參數時要綜合考慮各種影響因素。假如生產過程中，該項數值超過臨界值時，要積極尋找出現問題的根本原因，第一時間采取有限措施解決問題，避免事態擴大化[1]。在頂板離層中往往會安裝KGE30C圍巖離層報警儀，一旦超過預先設定的值時，系統將發出警報聲。具體原理為：實時獲取基點與頂板外表面的位移狀況，獲取離層的具體參數，進而做出判斷。深部基點往往安裝在錨索端部，而淺基點往往安裝在錨桿端部位置。

3.3 錨（索）動態錨固力監測儀的安設

錨桿支護中經常會對錨桿受力情況進行監測。主要就是為了掌握錨桿受力的具體狀況，掌握其與圍巖變形的具體關系，進而優化錨桿的支護參數，提高支護的效果。絕大多數煤礦采取MJ－40錨桿測力計，在固定的位置提前安裝錨固力監測儀，實時掌握其變化狀況[2]。

4 礦壓觀測結果分析

4.1 巷道表面位移的觀測結果分析

經過長時間的實時監測，得到的表面位移的具體數據，以時間為橫坐標，巷道表面位移量為縱坐標，繪制曲線關系圖，具體情況如圖4所示。

按照圖4給出的數據可知：施工后的特定時間段內，圍巖始終處于運動中，頂板的最大下沉量為46.2 mm，兩側最大的收斂量為80 mm。施工15 d后，巷道周邊圍巖將穩定不變，也就是說巷道基本上達到穩定狀態，支護模式與參數比較理想，能夠支撐巷道正常運行。

圖4 觀測斷面表面位移變化曲線圖

4.2 頂板離層觀測結果分析

頂板離層分析曲線見圖5。按照上圖給出的數據與信息可知：施工18 d內，頂板離層在不斷地增加，隨后逐步趨于穩定，直接表明支護與圍巖不斷作用，最終達到穩定狀態。具體數據為：2 m內最大離層量為20 mm，2～6 m內離層最大變化量為28 mm。頂板的離層量并不大，也就是在現有的支護設施能夠有效地控制煤層的穩定性，此次設計過程中給出的參數能夠滿足實際需求，巷道的穩定性達標。

圖5 第一觀測斷面離層變化曲線圖

4.3 錨固力觀測結果分析

兩斷面錨固力觀測變化曲線見圖6。

圖6 第一斷面錨固力變化曲線圖

通過圖6可知：錨桿與錨索的錨固力在巷道施工起始階段不斷變大，不過速率并不大。處于觀測期間，錨固力也始終處于變化狀態，不過其變化的幅度比較小，往往在施工前15 d內變化最為明顯，通過巷道圍巖與錨桿、錨索的不斷作用，彼此相互協調與改變，最終能夠趨于穩定，數值將不會發生變化。兩側錨桿受力情況與變化規律類似，頂板的數值最大，重力與構造應力不斷加強，導致頂板下沉，因此錨桿要承受巨大的壓力。研究錨索的錨固力發現，其大小比錨桿錨固力較大，表明錨索能夠控制的范圍更大，支護效果更加理想。當前，錨索受到的外力遠遠小于其自身極限值，能夠滿足巷道穩定性需求[3]。

5 結論

通過此次現場試驗，觀察巷道表面位移、頂板離層與錨桿（索）動態錨固力的變化，發現該支護方案能夠有效地提升巷道穩定性，滿足安全需求。在常規生產階段，要實時監測巷道礦壓，將其作為日常監測項目，有效地提升開采的安全系數。本次得到的研究數據與結論對煤礦日常生產具有非常重要的意義。

[1] 王雙喜.煤巷錨桿支護的施工設計及礦壓監測[J].科技情報開發與經濟，2006，16（24）：286-287.

[2] 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007：179-205.

[3] 耿獻文.礦山壓力測控技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2002：122-126.