煤巷錨桿支護的全線跟蹤設計方法

【摘 要】傳統的煤巷錨桿支護設計方法存在一些弊端。全線跟蹤設計方法是一種全新的煤巷錨桿支護方法，其關鍵技術為支護前期的頂板巖層結構探測，支護后期的頂板微變形監測。此方法實現了邊施工、邊監測、邊修改，在實踐中具有應用價值。

【關鍵詞】煤巷；錨桿支護；全線跟蹤設計

0 前言

煤巷錨桿支護設計方法的選擇，對于巷道支護效果、井下的正常生產和工人的人身安全都起著非常重要的作用。設計方案是否科學，直接關系到巷道支護質量、巷道頂板安全，也直接影響支護的經濟合理性。全線跟蹤設計方法是一種新的煤巷錨桿支護方法，設計的核心是錨桿鉆機在施工頂板鉆孔時，通過錨桿鉆機的鉆速、推力、風壓等因素，進行頂板巖層結構與性質的識別，根據識別結果.進行支護參數的實時設計。為了將冒頂事故降到最低，在監測方面采用獨立開發的頂板微變形監測，將監測結果進行數學處理，預測支護后頂板危險區域，進行錨索補強。

1 在煤巷錨桿支護設計方法上存在的弊端

目前，煤巷錨桿支護設計主要以應用工程類比與理論分析相結合的方法確定錨桿支護參數，并應用理論方法再進行校核。運用這種設計方法進行的錨桿參數設計存在如下問題。

（1）煤巷長度一般為500—2000m，地質條件復雜、多變，具有不確定性，設計前還存在一些未探明的小褶曲、斷層和高應力區，用于設計的基礎參數是巷道周圍某幾個點（甚至僅一個點）的綜合地質技術資料的平均值，設計出的錨桿參數為整條巷道的設計依據，針對性不強。

（2）依據的基礎性參數缺乏定量化評價指標，導致錨桿支護參數設計缺乏科學、合理和確定性。

（3）巷道絕大部分區域設計的錨桿參數過高，不僅浪費了大量材料，增加了支護成本；也降低了巷道的掘進速度，又使巷道的局部地質技術條件變化區域，設計的錨桿支護參數不足，引發局部冒頂事故。

（4）支護效果監測采用傳統的頂板離層儀和多點位移計。主要表現為巷道整個服務期間都在一定位置監測，而且測站的位置也比較少，與巷道頂板巖層的變化不適應。

2 全線跟蹤設計方法的核心

全線跟蹤設計方法實現對將要掘進巷道支護參數進行全線動態跟蹤設計，選取和量化關鍵指標。支護前期通過錨桿鉆機的鉆孔，進行頂板巖層結構的探測，通過錨桿鉆機的鉆速、風壓、推力，進行頂板巖層結構的識別；支護后期為了提高頂板的安全性，找到存在冒頂危險的區域。方法是采用能夠測量頂板微小變形的儀器，它能夠安裝到頂板錨桿上，監測錨固范圍的頂板的巖層變形情況，通過對頂板位移的實時觀測，預測頂板危險區域。

3 全線跟蹤設計方法的主要內容

3.1 地質力學評估

巷道地質條件復雜多變，即使同類巖層，因受埋深、原巖應力矢量、節理裂隙分布以及賦存時間等因素的影響，其力學參數的離散性也較大。地質力學訐估主要包括：松動圈測試、地應力測量、頂底板巖石物理力學試驗。其中，松動圈能夠反應巷道圍巖的變形與破壞情況，預測巷道圍巖破碎區域，為錨桿支護參數提供依據。地應力大小和方向，對巷道的合理布置和支護方式的選擇至關重要，它是進行地質力學參數評估的重要一項，同時也是數值模擬分析的重要參數之一。地應力測量的方法，一般采用應力解除法。頂底板力學試驗主要是在實驗室利用伺服試驗機，將現場采集的試件進行試驗（包括三軸和單軸），取得相關的巖石力學參數。利用圍巖分類方法，將地質力學參數歸結為一個統一指標，即“巖體工程質量指標”，對其進行分級，作為數值模擬的基礎數據。

3.2 數值模擬分析與初始方案確定

將采集的數據（包括松動圈大小、地應力大小、頂底板力學參數）作為數值模擬的基礎數據。數值模擬軟件采用美國明尼蘇達大學開發的FLAC有限差分計算程序，這種方法適用于巖石力學的非線性大變形或不穩定（如滑動或分離）問題，其計算模型網格能以大應變模式變形并隨材料流動。通過對多個方案的數值模擬分析，得到相對最佳的支護方案。這項支護方案主要是將現場的錨桿材料（如錨桿的長度、直徑）提供大致的參考范圍。

3.3 頂板巖層結構的探測與參數調整

頂板的巖層組合“劣化”是產生巷道頂板冒落的重要原因。這是指頂板巖層組合由穩定型向非穩定型轉變，而導致巷道冒頂的頂板巖層組合。所以，為了解決這個問題，研究了頂板巖層結構探測儀，通過對錨桿鉆機鉆進特性（包括鉆速、風壓、推力等參數）的連續監測，采用人工神經網絡方法實現對巖層結構的識別，預測冒頂隱患區域，實時調整支護參數。

3.4 頂板微變形監測與危險區域預測

支護后的頂板由于受斷層、裂隙、巖層結構、應力分布等因素的影響，都會有不同程度的冒頂危險。直觀反應到頂板的特征為變形，而且隨著時間的延長，頂板的變形會擴展，圍巖的破壞由表面向內部發展，最終導致冒頂；所以，頂板的初始變形的規律至關重要，它能夠反應破壞的趨勢。以往的觀測數據，只停留在簡單的位移上，雖然能夠反應某點或幾點的變化，但是覆蓋的位置很小，所以全線跟蹤的監測頂板變形的方法就應運而生。

3.5 采取的措施

采取的措施主要包括支護后巷道與支護前巷道。支護后巷道通過獨立研制的微變形監測儀進行頂板微變形趨勢的全程監測，得出頂板變形隨巷道長度及支護時間的關系。通過數學處理與模式識別技術預測頂板危險區域。對于待支護巷道（主要是掘進斷面）參數設計，根據頂板微變形監測預測前方的結果和頂板巖層結構探測儀的探測結果綜合分析，確定合理的錨桿參數。

4 結束語

全線跟蹤煤巷錨桿支護設計，克服了傳統設計方法的缺點，真正做到了實時設計支護參數，及時進行跟蹤監測，巷道的每處基礎數據力求做到貼近實際。利用微變形監測儀測量頂板錨固區圍巖微變形量，與其它監測方法相比，具有周期短、密度大、精度高等優點。通過觀測結果分析，觀測效果較好，利用此觀測數據進行的參數修改比較合理。

【參考文獻】

[1]董方庭，等.巷道圍巖松動圈支護理論[J].煤炭學報，1994（1）.

[2]候朝炯，等.煤巷錨桿支護[M].北京：煤炭工業出版社，1997.

[責任編輯：楊玉潔]