光纖光柵技術在塔山礦高應力顯現巷道中的應用

沈明柱

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光纖光柵技術在塔山礦高應力顯現巷道中的應用

沈明柱

摘要采用光纖光柵技術對塔山礦高應力顯現巷道進行礦壓觀測，通過監測巷道變形、錨桿受力情況等數據，分析相鄰工作面回采對已掘巷道的動壓影響范圍及強度，為后續對采對掘巷道掘進支護提供理論依據。關鍵詞光纖光柵；高應力；支護載荷；監測

0引言

塔山礦3～5#層二盤區8216工作面5216巷，沿煤層底板掘進，根據提供的資料，5216巷在前掘過程中揭露24條正斷層及1條火成巖墻（1.00 m～2.40 m寬）。此外，同時該巷道相鄰8214現采工作面，受相鄰工作面采動影響，動壓顯現明顯，頂板悶響頻繁，頂底板及兩幫變形嚴重，巷道穩定控制難度大。為此我們在5216巷采用光纖光柵技術監測巷道受力變形情況，為巷道圍巖穩定性評估和支護方案的繼續優化與合理性評價提供依據。

1監測方案

監測內容主要包括圍巖支護荷載變化規律、頂板離層和巷道表面位移。圍巖支護荷載變化通過監測錨桿受力進行。錨桿受力采用光柵錨桿、電子測力錨桿和錨桿(索)壓力傳感器進行監測，頂板離層采用光柵頂板離層儀進行監測，巷道表面位移監測采用十字布點法進行。

1.1圍巖支護荷載變化規律監測

1.1.1監測手段

監測圍巖支護載荷變化規律監測采用KNPGDY70G型光纖光柵測力錨桿、KDM-1型測力錨桿和KNP-GMY150G型光纖光柵錨桿(索)壓力傳感器對巷道支護受力情況進行監測。具體布置如圖1、2。

圖1測力錨桿布置示意(單位/mm)

每一監測斷面布置3根光纖光柵測力錨桿，分別位于頂板中部和兩幫中部。

KNP-GMY150G光纖光柵錨桿(索)壓力傳感器布測站布設在測站錨桿測站1～1.5倍錨桿排距范圍內，但需另外打錨桿或用已安裝的錨桿(視錨桿外露長度而定)。錨桿(索)壓力傳感器布置如圖2所示。

圖2錨桿(索)壓力傳感器布置示意(單位/mm)

每一測站布設3個KNP-GMY150G型光纖光柵錨桿(索)壓力傳感器，兩幫和頂板各1個，監測錨桿所受的總軸力。錨桿(索)壓力傳感器監測數據通過光纜將傳輸到地面主機，實現監測數據自動采集。

1.2監測及測點布置

為監測8214工作面回采和5216順槽掘進該巷道的疊加影響，特在回采與掘巷交鋒面一定范圍內布置礦壓監測站，如23頁圖3所示。

圖3礦壓測站布置示意

礦壓監測站布設在5216順槽內，該巷道掘進和8214工作面回采交鋒面前約10 m布置第三個測站，后退70 m和140 m分別布置第二個、第一個測站，以繼續監測采動影響。

2巷道表面位移及內部離層監測

巷道圍巖位移是巷道巖體強度、地應力以及工程條件綜合作用的最終體現。為研究巷道開挖至穩定的應力調整過程中圍巖位移情況，對巷道圍巖表面收斂及內部離層情況進行監測。

2.1圍巖表面位移監測

巷道表面位移測量可以采用十字布點法，設置表面位移監測斷面（見圖4）。

圖4巷道表面位移監測示意(單位/mm)

巷道表面位移測站布設在測力錨桿測站1～1.5倍錨桿排距范圍內，以方便數據對比分析。頂底板測點位于頂板或底板中部，兩幫測點距巷道底板約1.5m位置。安裝測點時需注意，4個測點應在一個斷面內，以提高監測數據的準確性。

2.2頂板離層監測

頂板離層監測采用KNP-GUG180型光纖光柵離層傳感器(圖5)進行。

圖5 KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器示意

KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器主要用于測試頂板巖層錨固范圍內位移量。其工作原理是通過將離層儀基點錨頭固定在穩定巖層內，淺基點固定在運動巖層內。當巖層有離層現象發生時，錨頭及測試繩向下移動時，離層儀內光纖光柵受力發生相應改變，引起波長變化。

2.2.1巷道頂板離層監測測點布置

圖6為KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器布設位置示意圖。

圖6離層傳感器布設位置示意(單位/mm)

每一測站布設1個KNP-GUG180光纖光柵離層傳感器于巷道頂板中部，監測點深度分別為3 m和8 m，與錨桿、錨索長度相匹配。

3傳感器布置平面

為研究8214工作面回采對5216順槽掘進期間影響規律，特在回采與掘進交鋒面一定范圍內布置錨桿受力與巷道變形監測站（該試驗段支護方式為頂板破碎段支護方案），三個測站分別位于5216巷1 380 m、1 445 m、1 490 m處（從盤區回風巷算起），交鋒位置為1 519 m處。其中測站Ⅰ與測站Ⅱ間距為65 m，測站Ⅱ與測站Ⅲ距離為45 m。具體位置見24頁圖7所示。

圖7礦壓測站布置示意

測力錨桿全部選用Φ25×2 530 mm，錨固長度約為1 150 mm，每根測力錨桿布置5個測點，各測點分布情況如圖8所示。

圖8測點位置分布

4監測數據結果

4.1測站Ⅲ監測數據處理

圖9測站Ⅲ數據處理結果

圖9（a~c）為光纖光柵測力錨桿應力增量變化曲線，監測結果表明鄰近工作面回采對錨桿工作狀態影響較大。隨著回采面接近測站Ⅲ，各錨桿軸力的受力逐漸增大，回采面超前測站Ⅲ10 m~20 m開始，軸力變化趨勢加?。划敾夭晒ぷ髅驽e過測站Ⅲ120 m后，軸力的增量變化趨勢變緩，最后趨于穩定。

左幫（工作面幫）錨桿軸力增量最大出現在測點2處，為167 kN；最小增量出現在測點4處為88 kN。左幫錨桿受力明顯大于右幫，是由于右幫圍巖的擾動范圍較大，整個錨固區域均在擾動范圍內，錨固區被整體擠出，所以錨桿受力較??；而左幫圍巖的擾動范圍較小，錨固端位于彈性區域內，所以左幫錨桿軸力增量較大。

4.2測站Ⅱ監測數據處理

圖10測站Ⅱ數據處理結果

圖10（a~c）測力錨桿的數據變化規律與圖9 （a~c）的變化規律大致相同，-20 m~80 m距離內，錨桿軸力增量變化趨勢加劇，且沒有明顯放緩趨勢。

對比圖10（a）與圖9（a）可以發現，測站Ⅱ處右幫錨桿受力明顯大于測站Ⅲ，說明測站Ⅱ處煤柱幫的擾動范圍小于測站Ⅲ，錨桿錨固端位于彈性區內。

4.3巷道變形監測結果

4.3.1掘進期間巷道變形

掘進期間巷道變形如圖11所示，頂板的最大下沉量為40 mm，兩幫總的收斂量為60 mm，右幫的變形量為25 mm，占兩幫收斂量的41.7%，掘進工作面超過測點80 m以后巷道變形趨于穩定。

圖11掘進期間巷道變形

4.3.2鄰近工作面回采期間巷道變形結果

鄰近工作面回采期間巷道變形如圖12所示，頂板最大下沉量為138 mm，兩幫總的收斂量為190 mm，而右幫的變形量達到125 mm，占兩幫收斂量的66%，頂板的下沉量為右幫移近量的1.1倍，回采期間巷道變形量明顯大于掘進期間變形量，回采期間頂板下沉量和兩幫收斂量分別是掘進期間的3.5倍和3.2倍?；夭晒ぷ髅娌蛇^測點120 m以后，巷道變形速率變緩趨于穩定。

圖12鄰近工作面回采期間巷道變形

5結論

（1）鄰近8214工作面回采對5216巷道超前影響范圍較小為10 m~20 m，但滯后影響范圍較大，超過120 m；

（2）5216巷煤柱幫錨桿的受力小于工作面采煤幫，但煤柱幫的變形量較大，占總變形量的66%，

說明煤柱幫圍巖破壞范圍明顯大于工作面幫，并且煤柱幫錨固區域被整體擠出，錨桿支護沒有發揮出最大的效果；

（3）相鄰8214工作面回采速度對5216巷巷道礦壓顯現影響較大，當8214工作面回采速度大于5 m/ d時，對應5216巷測點監測到錨桿支護受力增大較快，巷道變形速度較大，當回采速度低于3 m/d時，對應5216巷測點監測到錨桿支護受力穩定，巷道變形趨緩。

沈明柱，男，1963年12月出生，現在大同煤礦集團寺塔煤礦有限責任公司工作，高級工程師。

Application of Fiber Bragg Grating Technology for Obvious High Stress Roadway in Tashan Mine

Shen Mingzhu

Abstract：Using fiber bragg grating technology carries on mine pressure observation for obvious high stress roadway in Tashan Mine, by monitoring the data of roadway deformation, bolt stress state and so on, the dynamic pressure influence scope and intensity adjacent of digged roadway by caving mining working face are analyzed, the theoretical basis for subsequent mining support is provided.

Key words：fiber bragg grating; high stress; support load; monitoring

收稿日期：2016-01-22

作者簡介

中圖分類號TD326

文獻標識碼A

文章編號1000-4866 (2016) 01-0022-04