巷道表面位移觀測的優化設計及應用

司廣宏

(潞安化工集團 余吾煤業公司，山西 長治 046100)

拉繩“十字斷面法”是礦山井下常用的巷道表面位移觀測方法[1-2]，可以用于測量巷道兩幫及頂底板變形情況，從而評估巷道穩定性。以余吾煤業為例，井下采掘頭面多，永久大巷里程長，需要經常布置測站對巷道變形進行觀測。公司井下測站布置數量多，巷道類型多樣，現場觀測環境差異大，客觀影響因素多，制約了觀測效率的提升，需進一步對觀測裝置及方法進行優化設計。

1 原有觀測方案

表面位移觀測站常用的安裝方式為：對巷道兩幫及頂底板鉆孔，之后在孔內安設木楔，木楔上釘有釘子用于掛繩拉尺測量。觀測方案包含以下步驟：

①對頂板拉繩吊掛鉛墜，使之保持自然下垂；②將巷道兩幫測站測繩拉直，使之與垂直拉繩十字交叉；③用鋼卷尺分別測量AB、AO的長度以及CD、CO高度，取得巷道兩幫及頂底板觀測數據；④將巷道兩幫拉繩進行回收，頂板拉繩放回原處，對下一測站進行觀測。觀測數據采集，見表1。

表1 表面位移觀測數據匯總(優化前)

觀測示意如圖1所示。

圖1 表面位移觀測方案示意(優化前)

通過現場實踐，采用原有布置及觀測方案存在以下缺點：

1) 測站不夠牢固，易受人為因素影響。測站安裝后，在木楔上釘入釘子固定于巷幫，在實際觀測過程中，經常發現底板及幫部測站木楔脫落、釘子被人為破壞情況，原有參照系被破壞，會導致數據觀測不準，無法進行下一次測量。此外，固定于頂板測點的測繩也極容易被人為拉斷，導致觀測時需要重新進行掛繩測量，增加了觀測工作的額外工作量。

2) 觀測時受客觀環境影響大。由于巷道兩幫測點需進行拉繩觀測，對于不同功能的巷道需克服不同困難，在膠帶巷觀測時需跨越膠帶，在架空乘人巷需要設置警戒注意行人及猴椅通過，在輔助運輸巷又可能受到卡軌車及單軌吊運行影響，在大斷面巷道、風速較高的巷道頂板掛尺困難，以上因素均制約著觀測效率的提升。

2 方案設計優化

2.1 優化說明

針對原有觀測方案存在的不足，在不改變“十字斷面”觀測原理的基礎上，對測站安裝及觀測方法進行了全方位的優化改進。具體如下：

1) 測站安裝的優化。在巷道兩幫中部及頂板各打設一根長800 mm、D22 mm短錨桿，并用半支藥卷錨固，用于代替木楔，增加了測站穩定性。制作專用的螺母環、螺母板及螺母托架，各部安裝位置及功能如下：螺母環擰緊至頂部測站錨桿上，用于掛設專用測尺，見圖2(a)；螺母板扭緊至巷道一幫測站，用于接受測距儀激光信號，見圖2(b)；螺母托架為觀測人員攜帶，觀測時擰緊于螺母板相對的巷道幫部，用于放置激光測距儀，見圖2(c)。

圖2 測站安裝優化示意

2) 觀測裝置的改進。增加配置激光測距儀[3]，配合螺母托架，用于代替鋼卷尺大部分測量工作；同時用加工制作的專用測尺[4]代替頂板測點拉繩，測尺可相互連接，觀測精度±1 mm，頂部測尺帶有掛鉤可吊掛在螺母環內，最下部測尺帶有掛環可用于吊掛鉛墜。

改進的方案觀測步驟為：①將合適長度的測尺吊掛至頂板螺母鉤內，測尺下部吊掛好鉛墜；②將螺母托架扭緊至巷道一幫，使激光可以對準螺母板；③用激光測距儀測出AB距離，對測尺進行微調，將光斑照射至測尺桿體上，分別讀出AO、CO值，用鋼卷尺測出鉛墜下部至底板距離DO'；④回收螺母托架及測尺，對下一個測站進行觀測。觀測數據采集，見表2。觀測示意，如圖3所示。

圖3 表面位移觀測方案示意(優化后)

表2 表面位移觀測數據匯總表(優化后)

2.2 其他說明事項

1) 表2與表1數據相比，兩種觀測方式AB、AO、CO均可直接讀出，進而可算出巷道兩幫移近量、單幫移近量及頂板下沉量，表2中由DO'的變化可得出巷道底鼓量，而表1中的底鼓量由CD與CO作減法計算得出。

2) 由于螺母板為D100 mm、厚度2 mm的鋼板制作而成，面積較小，相比原有測站布設方案，優化改進的測站安裝方案對施工技術有較高要求，為保證頂板及幫部測點在同一斷面，需配合激光測距儀及測尺確定相應的錨桿施工位置。測站安裝過程中，需先在巷道一幫打設錨桿，用螺母托架配合激光測距儀確定另外一幫及頂板測站錨桿打設位置。

3) 每次進行數據采集時，觀測標準需統一，螺母托架在錨桿上需順時針扭緊至最底部，若扭至最底部托架未處于水平狀態，則需要逆時針扭動最小幅度將其調整至水平狀態，此外進行數據采集時激光測距儀尾部需緊貼L型鋼板托架。

3 實施效果

采用優化改進的表面位移觀測裝置及方法，現場不用進行拉繩觀測，不用跨越膠帶，不用留人警戒，減少了客觀因素的影響，提高了作業安全性。以北翼采區N2103工作面為例，為分析工作面回采結束后對五條永久大巷的影響，每條大巷影響范圍420 m，布置22個測站，五條大巷總計布置110個測站。測站布置見圖4。

圖4 N2103工作面對應五條大巷測站布置

采用原有拉繩“十字斷面”法觀測，每個測站觀測用時約3 min，五條大巷全部觀測完成用時約7 h；采用優化后的觀測方法，一個測站平均觀測時間提升至1 min上下，全部觀測完成僅需要3 h，較原來用時減少一半以上，極大地提升了觀測效率。使用原有觀測方法，單采用鋼卷尺在風速較高區域尺子無法徹底拉直，加大了測量誤差，應用激光測距儀則完全不受影響，測量數據更為精確，目前該方法已在公司井下全面推廣使用。

4 結 語

基于巷道表面位移觀測方法即“十字斷面法”的觀測原理，從測站安裝環節再到觀測方法兩方面進行優化改進并應用于現場實踐，經過現場實測證明：測站的可靠性、觀測作業的安全性、觀測效率及數據準確性均得到了很大提升，值得井工煤礦推廣與應用。