礦壓監測技術在巷道支護設計中的應用

荀建梁

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦， 山西 洪洞 041600)

目前，三交河煤礦主采11#煤層，因局部段頂板錨桿無法錨入穩定巖層，為確保頂板強度，11#煤層掘進工作面采取“全錨索”支護方式進行支護。根據11#煤層已掘巷道可知，在掘進期間頂板出現破碎、隨掘隨落等現象，支護環境不佳造成礦壓規律掌握不準確，同時施工進度緩慢、成本較高。

故選取11-1041巷掘進工作面為對象，通過礦壓監測分析，優化支護設計，由原頂板“全錨索”支護變為“錨桿+錨索”聯合支護形式，使11#煤層回采巷道支護設計更加科學合理、安全可靠，同時降低支護成本，提高施工效率。

1 11-1041巷基本情況

1.1 巷道布置情況

1.2 工作面支護形式

巷道斷面為寬4.5 m×高3.2 m，頂板支護采用錨網、錨索、鋼帶聯合支護方式，頂錨索采用長短錨索聯合支護，“一·四”為1×7/d21.6 mm×5.2 m的短錨索，“二·三”為1×7/d21.6 mm×7.2 m的長錨索，間排距1 200 mm×1 000 mm. 幫部采用錨網梁支護方式，幫錨桿選用BHRB-335/d20 mm×2 m的高強錨桿，“三·三”布置，間排距1 200 mm×1 000 mm. 全錨索巷道斷面支護圖見圖1.

圖1 全錨索巷道斷面支護圖

通過現場監測，在巷道頂板全錨索支護條件下，巷道圍巖整體較穩定，支護形式能夠滿足巷道支護強度要求，但在掘進期間，頂板完整性較差，局部出現頂板破碎現象，需采取措施改善圍巖完整性及承載能力。

2 支護優化

2.1 支護設計

根據現場巷道圍巖情況及工程類比法，確定巷道支護方式，即：頂板采用錨網、錨桿、錨索、鋼帶聯合支護方式，頂錨桿選用d20 mm×2.5 m的高強錨桿，“六·六”布置，間排距800 mm×800 mm，頂板肩角錨桿距幫250 mm；頂錨索選用d21.6 mm×7.2 m的鋼絞線，“二·二”布置，間排距1 800 mm×2 400 mm，錨索施工在兩排頂錨桿正中，頂板肩角錨索距幫1 350 mm；幫錨桿選用d20 mm×2.0 m的高強錨桿，“三·三”布置，間排距1 200 mm×1 200 mm，第一根幫錨距頂板300 mm.錨桿/索聯合支護巷道斷面圖見圖2.

圖2 錨桿/索聯合支護巷道斷面圖

2.2 支護效果模擬

采用有限差分數值計算程序FLAC3D建立模型，分析掘進期間巷道在該支護方案下的變形情況、巷道圍巖塑性區分布情況。

巷道頂底板及兩幫變形情況見圖3，4. 由圖3，4可知，巷道頂板最大下沉量25 mm，最大底鼓量10 mm，頂板下沉量大于底鼓量，最大變形位置發生在巷道頂底板中部；兩幫移近量均為16 mm，移近量最大處均在兩幫中部。該方案支護后巷道整體位移量不大，說明巷道的支護強度能控制巷道圍巖的變形。

圖3 巷道頂板下沉和底鼓情況圖

圖4 巷道兩幫移近情況圖

巷道的塑性區分布情況見圖5，由圖5可知，巷道4個角有圍巖屈服破壞現象，巷道圍巖屈服破壞范圍很小。

圖5 巷道圍巖塑性區分布情況圖

數值模擬結果表明：巷道通過錨桿、錨索組合支護系統，有效控制了巷道表面圍巖的變形，起到了應有的支護效果。巷道的支護強度能滿足巷道在使用期間對變形的要求。

3 支護效果監測

為驗證支護設計的合理性，現場采用綜合監測、日常監測、松動圈探測、測力錨桿監測等手段，對支護方式優化后的錨桿、錨索聯合支護效果進行監測[1].

1) 綜合監測。

a) 頂板離層監測。

頂板離層采用YHW-300型光感離層儀進行監測。因巷道頂板采用7.2 m錨索、2.5 m錨桿聯合支護，故離層儀深基點布置在巷道頂板7.3 m處，淺基點布置在巷道頂板2.4 m處，深基點初安值為2 mm、淺基點初安值為1 mm. 監測曲線見圖6. 由圖6可知，頂板離層監測曲線無變化，說明在掘進過程中，巷道頂板穩定，無離層現象。

圖6 頂板離層變化曲線圖

b) 錨桿/索工作載荷監測。

錨桿/索工作載荷采用MCS-400型光感測力計進行監測，分別在頂板1#、3#、4#、6#錨桿，左幫1#、2#錨桿，右幫1#錨桿，頂板中部錨索安設測力計對錨桿/索工作載荷進行監測，布置示意圖見圖7，監測曲線見圖8.

圖7 錨桿/索測力計布置示意圖

1—頂錨索應力 2—頂板4#錨桿應力3—頂板3#錨桿應力 4—頂板1#錨桿應力5—右幫1#錨桿應力 6—左幫1#錨桿應力7—頂板6#錨桿應力 8—左幫2#錨桿應力圖8 錨桿/索受力變化曲線圖

由圖8可知，巷道掘進8 m范圍內，錨桿/索受力變化最大，在掘進13 m后各測力計變化速率趨緩，但仍有增大趨勢，此范圍內主要是安裝測力計距迎頭過近，受掘進采動影響；在掘進50 m左右后錨桿/索受力基本不變，圍巖壓力穩定。

根據監測數據可知，巷道頂板3#、4#錨桿變化最大，變化值分別為62 kN、52 kN，說明巷道開挖后，幫部錨桿受力變化較小，但整體呈增大趨勢，說明頂板支護強度較高，頂板壓力傳遞在兩幫的壓力較小。其中頂板6#錨桿、左幫2#錨桿受力先變小后變大，是因為巷道開挖后左幫較不穩定，在掘進5 m后左幫及頂板右側穩定后，受掘進采動影響，錨桿受力呈增大趨勢。總的來說，各測力計變化在允許范圍之內。

c) 表面位移監測。

表面位移監測采用十字布點法安設測站，每個測站安裝兩個監測斷面，沿巷道軸向間隔2排。監測曲線見圖9. 由圖9可知，巷道在掘進過程中圍巖相對比較穩定，未發生位移變化。

1—2#測點交點左位移 2—1#測點交點左位移3—2#測點交點右位移 4—1#測點交點下位移5—1#測點交點右位移 6—2#測點交點下位移7—2#測點交點上位移 8—1#測點交點上位移圖9 巷道表面位移變化曲線圖

根據監測情況可知，巷道頂板穩定，未發生離層現象；在掘進過程中，受巷道掘進采動影響，錨桿、錨索受力有增大現象，但在合理范圍之內，工作面向前掘進50 m后錨桿/索受力趨于穩定；且圍巖未發生位移，圍巖相對比較穩定。說明巷道支護強度高，能夠有效保證圍巖穩定。

2) 日常監測。

支護優化后，工作面又建立5組頂板離層儀、測力計在線監測測站。通過日常監測可知，各頂板離層儀未發生離層；各測力計觀測值整體增大(錨索測力計最大變化值60 kN，錨桿最大變化值29 kN)，但趨于穩定，觀測值在正常范圍之內。由此可知，巷道支護有效，頂板穩定。

3) 松動圈探測。

松動圈測試主要采用超聲波圍巖裂隙探測儀，主要方法為單孔聲波法，依據波速在巖體中傳播這一特性，根據波速的變化規律判定圍巖松動范圍，即聲波隨巖石破裂程度增加，傳播時間越長，聲速越低[2]. 現場分別在頂板、左右兩幫施工鉆孔，采用探測儀對松動圈厚度進行探測。測試結果見圖10，11，12.

圖10 右幫松動圈測試結果圖

由圖10可知，右幫的測試時間在0.8 m處急劇變小，波速變大，說明破碎程度明顯減弱，完整性較好，松動圈厚度在0.8 m左右。

圖11 左幫松動圈測試結果圖

由圖11可知，左幫的測試時間在0.9 m處急劇變小，波速變大，說明破碎程度明顯減弱，完整性較好，松動圈厚度在0.9 m左右。因頂板右高左低，所以左幫承受壓力較大，故破碎程度較右幫大。

圖12 頂板松動圈測試結果圖

由圖12可知，頂板的測試時間在1.5～1.7 m處急劇變小，波速變大，說明破碎程度明顯減弱，完整性較好，松動圈厚度在1.5～1.7 m.

現場頂板使用2.5 m的錨桿、幫部使用2.0 m的錨桿，能夠阻止松動圈內巖石的進一步軟化，并對圍巖強度進行恢復，至少使一部分恢復到彈性狀態，以提高其殘余強度，提高巷道穩定性，提高承載能力，阻止圍巖變形。

4) 測力錨桿監測。

通過安設測力錨桿，對頂板錨桿受力位置進行監測，根據桿長選擇合理的間距布置多個測點，當桿體受力變形時，內部應變片電阻值會發生相應變化并轉換成該點處錨桿受力[3]. 錨桿受力變化曲線見圖13，由圖13可知，測力錨桿安裝后，桿體受力不斷增加，錨桿受力在淺部圍巖及深部圍巖處較小，中間部分受力最大，距離頂板1.0 m深處錨桿受力最大，表明1.0 m深處圍巖活動最劇烈，對錨桿影響較大，但最大受力為85 kN，未超過屈服強度，說明支護有效。

圖13 錨桿受力變化曲線圖

現場頂板錨桿使用Z2388、CKb2360型樹脂錨固劑各一條進行錨固，錨固長度為2.0 m，能夠較好地控制頂板變形。

5) 頂板反饋。

通過現場觀測可知，頂板破碎的現象顯著改善，說明錨桿支護對錨固范圍內的圍巖提供一個徑向壓力，使因巷道開挖失去應力平衡的圍巖達到新的力學平衡，錨固范圍內的圍巖強度得到恢復，部分進入加載時的彈性狀態，提高了巷道穩定性和承載能力。

4 結 論

1) 采用礦壓監測技術，得出了11-1041巷采用“錨桿+錨索”聯合支護形式下的礦壓顯現規律，在距離工作面8～13 m，對巷道圍巖影響最大，且巷道中部錨桿受力最大，局部受力最大值為60 kN；距離工作面50 m后，圍巖趨于穩定；錨桿在淺部圍巖及深部圍巖處受力較小，中間部分受力最大，距離頂板1.0 m深處圍巖活動最劇烈，最大受力為85 kN，未超過屈服強度；巷道頂板松動圈厚度為1.5～1.7 m，兩幫松動圈厚度為0.8～0.9 m，選擇2.5 m的頂錨桿、2.0 m的幫錨桿能夠有效控制圍巖變形。

2) 對支護成本進行對比，全錨索支護延米費用為1 682元/m，采用錨桿、錨索聯合支護后，延米費用為1 438元/m，延米費用節約244元/m.

3) 對支護優化前后的正規循環進行測定，支護優化前循環進尺為7 m/日，支護優化后循環進尺為10 m/日，提高了3 m/日.