長(zhǎng)距離錨桿索支護(hù)煤巷在線圍巖觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

張倍源，同曉軍，張佳龍

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

錨桿(索)支護(hù)巷道受原巖應(yīng)力和采動(dòng)壓力影響，經(jīng)常出現(xiàn)頂板離層、下沉現(xiàn)象，嚴(yán)重的造成桿(索)體斷裂，托盤脫落，支護(hù)失效從而引發(fā)頂板冒落事故，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，因此錨桿(索)支護(hù)巷道礦壓觀測(cè)工作在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中尤為重要。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，錨網(wǎng)支護(hù)煤巷、半煤巖巷必須進(jìn)行頂板離層觀測(cè)[1]。《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，錨桿支護(hù)巷道要定期進(jìn)行礦壓觀測(cè)，煤巷距掘進(jìn)工作面迎頭50 m內(nèi)，礦壓觀測(cè)頻次每天不少于一次，50 m以外，觀測(cè)頻次可為每周一次[2]。傳統(tǒng)的觀測(cè)方法一般都是人工觀測(cè)，及時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析巷道壓力顯現(xiàn)情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)，以便做好相關(guān)安全措施，防止安全事故[3-15]。但人工觀測(cè)誤差較大、效率較低，對(duì)于長(zhǎng)距離巷道需要消耗大量人力、物力且效果不佳。黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦418工作面膠帶巷掘進(jìn)工作面采用在線圍巖觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行礦壓觀測(cè)，準(zhǔn)確分析記錄頂板離層和錨桿(索)受力等數(shù)據(jù)，為巷道頂板管理提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

陜西黃陵二號(hào)煤礦418工作面膠帶巷位于井下四盤區(qū)右翼，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 467 m。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。掘進(jìn)煤層為2號(hào)煤層，屬侏羅系中統(tǒng)延安組，煤層呈黑色，弱瀝青光澤，半暗-半亮型，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層厚度2.2～3.7 m，煤層含1～3層夾矸。煤層老頂為粉砂巖，厚度6.0～12.4 m，深灰色，薄層狀，微斜層理，層理面見大量云母片及植物殘屑化石。直接頂為細(xì)粒砂巖，厚度3.5～6.0 m，灰色-深灰色，脈狀層理，層理面見大量黃鐵礦薄膜，巖石成分以石英為主，長(zhǎng)石次之。418膠帶巷掘進(jìn)范圍內(nèi)根據(jù)三維地震勘探結(jié)果顯示，該區(qū)域內(nèi)無(wú)較大斷層存在，但在掘進(jìn)過(guò)程中可能揭露小型斷裂構(gòu)造。

2 礦壓觀測(cè)的意義和目標(biāo)

2.1 礦壓觀測(cè)意義

煤礦開采不同區(qū)域不同掘進(jìn)和采煤工作面都有很多不確定礦壓顯現(xiàn)。地層地質(zhì)具有難以確定性和突變性，黃陵二號(hào)煤礦曾發(fā)生過(guò)錨桿支護(hù)巷道因頂板離層儀失效，礦壓觀測(cè)不到位，局部巷道頂板在無(wú)明顯征兆情況下，頂板離層造成頂板突然冒落，壓壞皮帶架，造成礦井停產(chǎn)3天的二級(jí)非傷亡事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 000余萬(wàn)元，因此，為及時(shí)監(jiān)測(cè)到頂板離層預(yù)警值、支護(hù)失效等重大風(fēng)險(xiǎn)和隱患，需要對(duì)錨桿支護(hù)巷道工程進(jìn)行礦壓觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)，以便采取相關(guān)安全措施，防止安全事故。

2.2 礦壓觀測(cè)目標(biāo)

完整的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、觀測(cè)資料可以為巷道支護(hù)的成功實(shí)施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并使得設(shè)計(jì)得以優(yōu)化，是巷道支護(hù)工程得以鞏固和發(fā)展的重要保證。

掌握巷道圍巖動(dòng)態(tài)規(guī)律性，為巷道支護(hù)日常動(dòng)態(tài)化管理提供科學(xué)依據(jù)；為檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝的合理性，修改、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和合理確定二次支護(hù)時(shí)間提供科學(xué)依據(jù)；監(jiān)控巷道支護(hù)的施工質(zhì)量，對(duì)支護(hù)狀況進(jìn)行跟蹤反饋和預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程隱患，以保證施工安全和軟巖巷道穩(wěn)定；為其他類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供全面的參考依據(jù)；通過(guò)監(jiān)測(cè)資料，可作為判斷沖擊可能性和預(yù)防措施。

3 418工作面膠帶巷礦壓觀測(cè)實(shí)施方案

3.1 418工作面膠帶巷圍巖礦壓觀測(cè)方案的選擇

錨桿支護(hù)巷道通常進(jìn)行頂?shù)装寮皟蓭鸵平坑^測(cè)和安裝頂板離層儀深、淺基點(diǎn)離層量觀測(cè)。頂?shù)装寮皟蓭鸵平坑^測(cè)時(shí)至少2人協(xié)作，當(dāng)巷道內(nèi)存在皮帶機(jī)等運(yùn)輸設(shè)施時(shí)，觀測(cè)很不方便，觀測(cè)誤差大、效率較低。當(dāng)巷道高度較高時(shí)，頂板離層儀觀測(cè)需要登高作業(yè)，影響人身安全。現(xiàn)場(chǎng)完成一處礦壓觀測(cè)站觀測(cè)時(shí)間約10 min。

418工作面膠帶巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 467 m，掘進(jìn)期間至少每隔50 m就需設(shè)置一處礦壓觀測(cè)站，巷道施工完成后，巷道內(nèi)至少需要設(shè)置50處礦壓觀測(cè)站，如果采用人工觀測(cè)的方法，50處觀測(cè)站一次觀測(cè)完成至少需要8 h以上，加之上、下井路途時(shí)間達(dá)10 h以上，觀測(cè)任務(wù)和勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大。為此，礦井采用在線觀測(cè)的方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行觀測(cè)。

3.2 巷道表面收斂監(jiān)測(cè)

通過(guò)巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)可較好地判定巷道圍巖的運(yùn)動(dòng)情況，分析圍巖是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。巷道表面位移監(jiān)測(cè)包括底鼓、兩幫相對(duì)移近、頂板下沉等內(nèi)容。主要是通過(guò)在巷道內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間距離的變化確定。

監(jiān)測(cè)目的：通過(guò)巷道收斂量預(yù)測(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性；測(cè)試巷道頂?shù)缀拖飵椭悬c(diǎn)的位移規(guī)律；測(cè)試巷道頂?shù)装搴拖飵筒煌氖諗恳?guī)律；分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)巷道穩(wěn)定性。

測(cè)點(diǎn)的布置：采用十字布點(diǎn)法，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Measuring point layout

測(cè)點(diǎn)的安裝與測(cè)量：在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@孔徑φ28 mm、深380 mm的孔，將φ28 mm、長(zhǎng)400 mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測(cè)釘，底板和下幫木樁端部安設(shè)彎形測(cè)釘。

觀測(cè)方法：使用HT-JS30A-10型巷道收斂監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)，直接讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，填入表1。

表1 巷道表面收斂記錄Table 1 Roadway surface convergence record

3.3 巷道頂板離層及深部位移監(jiān)測(cè)

通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)可以判斷巷道圍巖內(nèi)部的變形及破壞情況，測(cè)試巷道頂板表面和錨桿端部的位移變化，反映頂板的離層狀況，通過(guò)巷道圍巖內(nèi)部的變化預(yù)測(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 深部位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of deep displacement measuring points

儀器的安裝與測(cè)量。對(duì)巷道頂板離層監(jiān)測(cè)采用的是深部?jī)牲c(diǎn)位移計(jì)，用鉆機(jī)在巷道頂板和幫部相應(yīng)的位置打上φ28 mm，10 m深的鉆孔。孔鉆好之后用錨索將離層儀的固定倒刺送入，到位之后固定離層儀，將離層儀上的測(cè)線拉緊固定。監(jiān)測(cè)儀器為礦用本安型位移傳感器如圖3所示。

圖3 頂板位移傳感器Fig.3 Roof displacement sensor

3.4 圍巖變形能監(jiān)測(cè)

通過(guò)儀器監(jiān)測(cè)錨桿的受力情況和深部錨固的錨索載荷情況，可以了解圍巖一定范圍能量變化。監(jiān)測(cè)一定深度圍巖的變形能量積累，可以評(píng)估一定范圍區(qū)域礦壓特征，也可以通過(guò)多點(diǎn)能量規(guī)律推演區(qū)域礦壓演化。

3.4.1 儀器的安裝與測(cè)量

錨索荷載傳感器由一個(gè)有中心孔的托盤式密閉充油壓力盒和與之相連的顯示裝置組成。安裝時(shí)，把壓力盒套在錨索墊板(托盤)和外錨固端的螺母之間，即可以檢測(cè)錨索工作時(shí)軸向力變化情況。使用時(shí)要首先對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，記下壓力盒指示的壓力值，此后定時(shí)讀取壓力值，獲取錨索壓力與時(shí)間變化的關(guān)系。荷載傳感器安裝方法如圖4所示。記錄初始值以后，實(shí)時(shí)在線觀測(cè)。

圖4 圍巖變形能測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of surrounding rock deformation energy measuring points

3.4.2 監(jiān)測(cè)儀器

礦用本安型電腦記憶錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)記錄儀，如圖5所示。

圖5 錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)記錄儀Fig.5 Anchor bolt(cable) force monitoring recorder

4 結(jié)論

(1)使用在線圍巖觀測(cè)系統(tǒng)后，巷道表面收斂量、巷道頂板離層及深部位移量、錨桿(索)受力等數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線觀測(cè)，數(shù)據(jù)觀測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性大大提高，在人為設(shè)定預(yù)警值后，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。

(2)使用在線圍巖觀測(cè)系統(tǒng)后，僅需隨著巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加而增設(shè)在線礦壓觀測(cè)站，由以往的至少2人配合觀測(cè)，減少為1人觀測(cè)，相比人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低。

(3)如在線圍巖觀測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到頂板離層儀安裝后10 d內(nèi)頂板下沉量≥50 mm、下沉速度≥50 mm/d或安裝后50 d內(nèi)頂板下沉量≥100 mm、下沉速度≥2 mm/d時(shí)，礦井及時(shí)采取加強(qiáng)巷道支護(hù)措施，補(bǔ)打錨桿、錨索或加密、加長(zhǎng)錨索等措施，避免因頂板離層加劇而引起錨桿、錨索拉斷，造成頂板突然冒落事故的發(fā)生。