高應力大斷面錨支巷道變形監測及破壞特征分析

翁海龍

(國家能源集團神東煤炭集團 保德煤礦,山西 忻州 034000)

巷道是煤礦開采的必要“安全”通道,它的暢通、穩定是煤礦安全的基本條件之一[1]。隨著礦井開采技術的發展,大型綜掘機械設備得到了廣泛的應用,巷道斷面尺寸不斷增大[2-3]。雖然這一變化促進了煤礦高產高效發展,但也給巷道支護帶來諸多難題,成為影響煤礦安全生產的問題之一[4]。

通過現場調查和巷道圍巖地質力學評估,結果證明錨桿支護方法可行時,巷道錨桿主動支護技術以其經濟高效的優勢,在巷道支護方式采用率中占有很大比重[5]。但錨支設計并不是一般的“一次性”設計模式,還需對錨桿(索)支護巷道進行后續針對性的監測分析,對存在危險區段采取有效“數據讀取”分析和對應控制措施[6]。本文以現有的監測手段為基礎,對錨桿支護巷道監測方法及數據進行分析、解讀,并結合巷道破壞變形特征規律給出了自己的觀點,證明“支護初次設計+監測分析+補強支護+優化設計”動態提升式支護理念的合理性,結合在保德礦的實踐經驗,給出現有錨支巷道礦壓監測分析及巷道變形分析,希望能夠給其他采用錨桿支護巷道的礦井技術人員提供經驗。

1 錨桿(索)主動作用機理

1.1 錨桿與錨索的特點

錨桿與錨索兩者只是量的區別,原理上是相同的,只是張、拉介質有所不同。錨索的受拉筋是用較長的鋼絞線制作,錨桿是用較短的鋼筋或鋼管制作,故錨索的錨固范圍和所能承受的張、拉力更大,而錨桿由于其材質的特性抗剪能力較強。

1.2 主要工作原理

錨桿(索)支護對巷道圍巖有懸吊作用、組合梁作用、補強作用、擠壓聯結作用、擠壓加拱固作用等。錨桿可將直接頂的軟弱巖層懸吊于其上部較堅固穩定的巖層,又用預緊力擠壓錨桿長度范圍內的巖石,部分恢復三軸受力狀態,結合錨桿提供的剪斷阻力,成塊片狀的巖石之間相互咬合,形成了擠壓梁拱,防止冒頂失穩。較長的錨索則將“擠壓梁拱”進一步吊掛在更為穩定的老頂上,形成更大尺度的組合梁拱結構。

2 錨支巷道監測方法

錨支設計是一個動態過程,突出信息反饋的作用,及時根據現場情況對設計進行彌補更正,確保煤礦巷道安全。錨支巷道監測分為綜合監測和日常監測。綜合監測目的是驗證或修正錨桿錨索支護初始設計,評價和調整支護設計。日常監測目的是及時發現異常情況,采取必要措施,保證巷道安全。主要監測內容有巷道表面位移、圍巖深部位移、頂板離層量、錨桿工作載荷、錨索工作載荷及巷表噴層受力。根據巷道長度及圍巖條件,確定測站的合理間距、數量及觀測周期。

2.1 巷道表面位移監測

巷道表面位移監測內容包括頂底板相對移近量、頂板下沉量、底鼓量、兩幫相對移近量和巷幫位移量。以綜采工作面兩順槽為例，現場觀測采用“十字”測量法,觀測內容分為頂板、底板、正幫、副幫變形量。測點測量參數和測量方法如圖1所示。

圖1 巷道斷面測點布置及測量方法

2.2 頂板離層量監測

每間隔一定距離安設頂板離層指示儀,間隔距離應根據巷道圍巖條件確定,該礦正常巷道按100 m間隔安設,在正在掘進巷道中應緊跟掘進工作面進行安設,并對已經安裝的測站采取有效的保護措施。頂板離層指示儀的淺基點B安裝深度由錨桿長度確定(錨桿錨固深度位置),深基點A安裝在不小于巷道跨度的1.5倍位置,一般為錨索長度,如圖2所示。

圖2 巷道頂板離層儀安裝示意圖

頂板離層量監測是日常監測的重要內容,通過頂板安設的頂板離層指示儀監測頂板變形離層情況,也能通過幫部安設的深基點位移監測儀監測巷幫圍巖深部位移情況,其作用機理基本一致,以下簡單介紹頂板離層指示儀的數據讀取和觀察周期的設定原則。

1)離層范圍與各基點讀數具有對應關系，如圖3所示。基點的相對位移參考原點為傳感器,A、B兩點相對于原點位移量分別為dataA，dataB。dataB反映出B基點以下的離層量,dataA與dataB之差反映出A基點和B基點之間的離層量。通過選擇A、B基點的安裝深度,可以粗略地計算出發生離層的范圍、數值,及對應的錨桿(索)的延伸長度和托盤的變形之和。正常條件下,規范安裝頂板離層指示儀后數值邏輯關系是:淺部區發生離層,必然帶動深部區,而深部區發生離層,未必帶動淺部區。

圖3 頂板離層指示儀監測離層位置示意圖

2)巖巷掘進工作面100 m內、煤層大巷距掘進工作面50 m內、回采巷道距掘進工作面50 m內和回采工作面100 m內,綜合測站(儀器)與日常監測頂板離層儀的觀測周期為每天應不少于一次。在以上3種規定范圍以外,觀測周期可為每周一次。如果離層有明顯增長,則視情況增加觀測次數、縮短觀測周期,必要時采取措施防止發生冒頂等事故。

2.3 錨桿(索)工作載荷監測

錨桿(索)應力傳感器采用液壓應變式或應變彈性體結構,安裝在錨桿螺栓與托盤之間或錨索索具與托盤之間,用于測量錨桿、錨索軸向載荷應力,如圖4所示。通常將錨桿、錨索屈服強度的90%作為錨桿、錨索(應力傳感器)以及現場管控的預警值。

圖4 錨桿(索)應力傳感器及安裝示意圖

2.4 巷表噴層受力監測

巷表噴層受力即巷道表面采用混凝土噴漿作業進行護表,其噴射混凝土的受力情況。監測內容包括噴層軸向應力、徑向應力和切向應力,采用混凝土應力計監測噴層混凝土受力。圍巖初噴以后,在初噴面上固定應力計,然后再復噴,將傳感器全部覆蓋并使傳感器居中。復噴混凝土達到初凝強度時開始測取讀數,鋼弦式應力計如圖5所示。

圖5 噴射混凝土監測應力傳感器安裝示意圖

噴射混凝土層所受應力均為壓應力,且噴射混凝土層應力前期增長較快,15 d基本趨于穩定,通過測量值,對照設計強度,可說明噴射混凝土對圍巖有加固作用。

3 錨支巷道礦壓監測分析

通過錨支巷道測站的持續監測,可在巷道同一位置監測出巷道表面位移、頂板離層量、巷幫圍巖深部位移、錨桿(索)工作載荷等情況,具有極高的巷道礦壓觀測數據采集、分析價值。

3.1 巷道變形監測分析

我礦巷道表面位移現場觀測采用“十字”測量法,可直接測量得出頂底板移近量和兩幫移近量。通過頂板離層儀可以得到巷道頂板下沉量,安裝在幫部的深基點位移監測儀則可以明確某幫的變形位移值。即通過巷道表面位移現場觀測、頂板離層儀監測和任一幫部深基點位移監測結果綜合考慮就可以得出該測站位置處的巷道頂板下沉量、底鼓量以及左、右幫各自的變形量。

通過對我礦兩順槽超前段巷道圍巖變形情況的持續監測,得到某月份圍巖變形量隨距工作面距離變化曲線，如圖6所示。

圖6 81308工作面一號進風順槽某測點移近量折線圖

該月份的最大巷道變形量出現在81308一號進風順槽內,該巷道斷面尺寸為5.4 m×3.8 m。最大底鼓量為90 mm、最大頂板下沉量80 mm、正幫最大幫鼓量180 mm、副幫最大幫鼓量180 mm,變形量較大位置為距離工作面前方0～30 m,壓力影響范圍減小,最大影響范圍達到50 m附近。由圖6可以明顯看出，在高應力大斷面巷道受工作面回采擾動時,兩幫首先出現明顯的變形,且副幫(煤柱側)對回采擾動的回應效應更大一些。在良好的支護條件下,巷道變形量會逐步增長并會持續較長時間,其中當底板移近量增長落后于兩幫移近量,適當地提升工作面回采速度有利于高應力大斷面回采巷道的維護。

3.2 錨桿(索)工作載荷監測分析及其與離層儀數值的聯合考慮

根據巷道服務期間變形情況,結合現場所安裝的錨桿(索)應力傳感器測得的工作載荷隨時間變化趨勢能作如下判斷:錨桿(索)的工作狀態是否正常;錨桿(索)工作阻力利用率;所選錨桿(索)的合適程度(較小、富裕、合適)等。同時將錨桿(索)工作載荷監測數據與離層儀數據聯合進行考慮,幫助我們把控現場巷道礦壓顯現及變形情況。

結合2.2節及圖3分析現場觀測時可能出現的6種情形:dataA變化,錨索工作載荷沒有變化(離層發生在錨索之外);dataB變化,錨索的工作載荷也增大(接近支護強度時危險);錨索工作載荷增大,dataA無明顯變化(理想);dataB變化,錨桿工作載荷沒有變化(支護失效,危險);dataB變化,錨桿、錨索的工作載荷也變化(接近支護強度時危險);現場巷道圍巖變形明顯、頂板離層儀數值和錨桿錨索工作載荷傳感器數值增大,這種狀況最為危險,要全面分析離層范圍及嚴重程度,制定對應措施,按“處理冒頂安全技術措施”和“回風巷道修復安全技術措施”進行補強支護。

4 巷道圍巖應力變形特征分析

4.1 巷道圍巖應力分布規律分析

原巖在巷道開掘前通常處于彈性壓縮狀態,巷道開掘后,三向受壓狀態的煤巖體臨近巷道的一側出現一個自由面,集聚在原巖內的彈性能得到釋放,圍巖發生形變,巷道圍巖應力不斷更新,直至圍巖形變停止,巷道圍巖應力狀態達到重新的平衡。此時,以巷道為中心向外依次為破碎區(應力降低區)、承載區(應力增高區)和圍巖深處的穩定區(原巖應力區),如圖7所示。

p-原巖應力;σt-切向應力;σr-徑向應力;pi-支護阻力;r-巷道半徑;R-塑性區半徑;A-應力降低區;B-應力增高區;C-原巖應力區。

在各向等壓條件下,圓形巷道塑性區半徑R和周邊位移u的計算式為:

(1)

(2)

式中,p,pi分別是原巖應力和支護阻力，MPa;r0是圓形巷道半徑,m;φ、C和G分別是圍巖內摩擦角、圍巖的內聚力和圍巖的剪切彈性模數。

由上式可知,巷道的穩定性和周邊位移主要取決于巖層原巖應力p、反映巖石強度性質的內摩擦角φ和內聚力C等。巷道的周邊位移u(與巷道的塑性區半徑R正相關)隨巷道所在位置原巖應力p的增大迅速增長,巖石內摩擦角φ值越小u值增長愈迅速。

4.2 超前支撐壓力監測

由于實際條件限制,巷道斷面一般為半圓拱、梯形或矩形,與雙向等壓圓形巷道圍巖塑性區計算模型計算結果式(1)式(2)相比,在巷道斷面的四角處出現應力集中,塑性變形更加顯著。同時,由于地質構造和采動擾動的影響,巷道圍巖塑性區呈現不規則蝶形,隨著工作面的推進,巷道圍巖的主應力大小和方向不斷發生調整,巷道圍巖蝶形塑性區也不斷地發生變化。一般可通過工作面綜采液壓支架工作阻力和超前支護支架或單體液壓支柱的工作阻力監測,來實時監測工作面采動擾動影響下的巷道頂板壓力情況。以保德煤礦81308一號回風順槽道超前支護單體液壓支柱的工作阻力的現場實測結果為例進行分析,如圖8所示。

從圖8中可以看出，本組單體液壓支柱的工作阻力在距工作面煤壁23 m和45 m處出現顯著變化,這是由于頂板破斷長度和高度的發育具有大致的極限和周期性。工作面后上方頂板破斷情況發育到該時刻,對回采巷道頂板造成的載荷在距工作面煤壁0～23 m范圍內處于較高水平,預判在距工作面煤壁45 m及更遠的位置,回采造成的超前支撐壓力處于較低水平。超前支架或單體支柱對于錨支巷道起著重要部位補強支護的作用,超前支護設備的工作阻力監測結果對于超前支架或單體支柱的位置布置和選型是否合理具有重要的評估作用。壓力峰值處是錨支巷道最易發生破壞的位置,應對該部位的頂板和巷幫變形破壞情況多加監測,作為本巷道安全警報之一。

圖8 81308一號回風順槽道超前支護單體液壓支柱的工作阻力

5 總結

對于高應力大斷面錨支巷道而言,錨支設計在礦井實際施工后要及時進行監測,將巷道受掘進、采動影響的監測結果用于驗證、修正和完善錨支設計,完善后的支護設計為下次設計提供寶貴的工程經驗,并在井下再次進行檢驗。本文以保德煤礦高應力大斷面錨支巷道為例,簡單介紹了巷道變形監測方法及其破壞特征預計分析,有以下幾點啟示:

1)高應力大斷面巷道受回采擾動時,兩幫變形超前于頂底板變形,煤柱幫變形回應回采擾動更為迅速和劇烈,可作為巷道來壓變形的一種指標,重點觀測有助于技術人員及時把控順槽礦壓顯現規律。

2)在良好的支護條件下,高應力大斷面巷道變形量會受到支護物的限制,呈現一種長時間持續性增長的“蠕變”規律。

3)通過對監測結果的綜合考慮,將巷道超前支撐壓力、錨桿(索)工作載荷結合現場巷道宏觀變化情況進行科學合理的關聯性分析,可及時采取相應的工程措施并修正原支護參數,確保煤礦巷道安全與穩定。