王村礦8107頂回巷支護結構可靠性研究

張超 盛杰 張斌

（1.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院 北京 100089；2.山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司山西忻州 036700）

鉆爆法是現今巖石巷道掘進施工中最常用的方法，我國有95%的巖石巷道都采用鉆爆法施工［1-2］。隨著國內外專家的努力，傳統的鉆爆法施工技術已經比較成熟［3］，但是，在煤礦的巖巷鉆爆法掘進施工中，巷道的安全穩定依舊是要著重注意的問題。在井巷施工中，支護是保證巷道安全穩定的重要工序［4］。在巷道施工中的5 個主要工序“破、通、裝、運、支”中，爆破是每一循環的先行工序，支護是每一循環的最后一個工序，下一循環的爆破對上一個循環的支護形成擾動，會對支護的效果造成一定的影響［5］。

同煤集團王村煤業有限責任公司的山4#層東盤區8107頂回風巷是一條專用的排瓦斯巷，當巷道貫通后，就不再進人，故而，在支護方案的選取上，支護強度不宜過大進而影響掘進速度，也不宜過小從而導致圍巖受到礦壓的作用失穩破壞，尤其在爆破擾動后產生頂板突然下沉的現象。為了驗證同煤集團王村煤業有限責任公司8107頂回巷現有的支護方案是否可靠，利用YTJ20鉆孔窺視儀及DLJ-3型頂板離層儀支護區頂板巖層支護結構進行監測，從而確定支護結構的穩定與安全性。

1 工程概況

8107頂回巷是8107工作面專用排瓦斯巷，設計長度為1930m（從輔運巷算起），巷道東高西低，坡度為1°～3°，平均坡度為2°，是下山巷道，服務年限為8107 工作面回采完畢，貫通后不再進人。巷道為矩形斷面，規格為4.2m（寬）×2.5m（高）。頂板巖性特征：基本是頂厚度為13.2～13.6m的粉砂巖，直接頂是厚度為1.8m的粉砂巖。幫部片幫比較嚴重，但根據十字布點法檢測得知，巷道幫部縮進位移為0。

2 支護方案

8107頂回巷采用Φ20mm、L=2000mm 的左旋無縱筋螺紋鋼作為頂錨桿，錨桿托盤選用拱形托盤，配合球形墊規格為120mm×120mm×10mm；采用Φ17.8mm、L=6300mm 的鋼絞線作為錨索，錨索托盤的規格為300mm×300mm×16mm，配以4000mm（長）×250mm（寬）×3mm（厚）的W型鋼帶與3.7m（長）×1.7m（寬）、網徑為50mm×50mm的8號鐵絲編織的菱形網進行支護。具體的支護方案如圖1所示。

圖1 8107頂回巷支護示意圖

（1）錨桿。矩形布置，間排距為1000mm×1200mm，沿中心線對稱布置，頂部布置4排。錨桿安裝方向與巖面呈75°～90°角，鉆孔深度2000mm，錨桿外露長度為螺母外1～3cm，錨桿間排距誤差不超過±100mm。錨桿的抗拔力不小于100kN，錨桿預緊扭矩不小于200N·m，錨桿錨固長度不得低于900mm，每個錨桿孔放1 個MSK2330+1個MSZ2360樹脂錨固劑。

（2）錨索。共一排錨索，巷道中間布置。錨索安裝方向與巖面呈75°～90°角，間距為2.0m，錨索間距允許偏差為±100mm，錨索外露長度為鎖具外150～250mm，預應力不小于100kN，錨固長度不得低于1500mm，每個錨索孔放2個MSK2360+1個MSZ2330樹脂錨固劑。

3 鉆孔窺視儀監測

3.1 鉆孔窺視儀工作原理

鉆孔窺視儀由探頭、探桿、顯示、控制、防爆電源組成。探頭部分是由紅外發光源、光路變換裝置、圖像傳感器、防水及防塵與防爆等機械部分組成。孔壁物質的像由放入鉆孔中的探頭收集后，經光路變換進入圖像傳感器，再放大產生全電視信號，送入控制單元，將該信號處理后，顯示在4in的液晶顯示屏上。通過觀測探桿的刻度，就可以知道圖像的位置，以便精確地確定孔內情況。

3.2 實驗儀器

本次試驗采用的是YTJ20鉆孔窺視儀。該儀器具有以下幾個主要的特點。

（1）分辨率高。由數十萬、數百萬素構成的窺視系統相對于光纖窺視系統，其分辨率要高出數十倍至數百倍。

（2）抗干擾能力強。該儀器可以將探頭所探測到的信號通過數據線直接傳輸到接收器上，故而減少了干擾。

（3）數據清晰直觀。該儀器可將數字攝像轉換成柱狀圖，實現了點、面、體多方位展現，測試圖像的清晰度高，結果一目了然。

（4）體積小，質量輕，便于攜帶，操作簡單方便。

（5）信號接收全面。該儀器接收的信號不會因為信號數據的傳輸受到消耗，信息通過直觀、快速、準確、可靠的接收儀器與計算機連接，便于分析和處理圖像。

3.3 實驗結果與分析

在剛完成的支護區域內，鉆6m 的孔深，在下一循環的爆破完成后，將窺視儀的探頭慢速、勻速地深入，并操作主機進行數據的采集記錄。通過觀測圖像，可以獲得爆破后上一循環的支護區的頂板巖層的分層情況，以檢測爆破擾動對支護效果的影響。從0.70m 左右開始，巖性開始發生變化，巖石的顏色由黑色變為灰白色，此時，巖性由泥質砂巖變為細砂巖，2.76m后變巖性改變為粗砂巖。在以上的觀測范圍內，沒有薄弱層出現，亦沒有發現離層的現象，爆破擾動下，該支護結構能夠保證圍巖穩定安全。

4 頂板離層儀監測

頂板離層儀是專用于監測頂板巖層移動的儀器，主要由4個部分組成，即基點錨固器、托盤、標尺、測試繩，具有監測數據采集簡單直觀、使用方便的優點［6］。頂板離層儀是目前監測巷道頂板離層失穩的最常用、最直觀、最有效的方式［7］。頂板離層儀可以顯示錨桿、錨索長度范圍內，以及錨桿、錨索同范圍外的頂板巖層的離層情況。頂板離層儀可以直觀地為煤礦安全檢測人提供頂板巖層的變化情況［8］，從而有效地防止頂板塌落事故的發生，確保巷道施工作業人員的安全。為了更直觀地研究爆破擾動對支護結構的影響，在使用鉆孔窺視儀觀測頂板巖層變化的同時，利用頂板離層儀對頂板巖層的變化進行監測。

4.1 監測方案

選用DLJ-3 型頂板離層儀，安裝位置在窺視儀鉆孔同排左側1200mm 處，用Φ28mm 的鉆頭鉆孔。深基點深度設置與錨索長度相同，淺基點深度設置與錨桿長度相同，用錨索將深部基點錨固器推入孔中直至設計位置，抽出錨索后，手拉一下鋼絲繩，確認錨固器已錨固牢固，然后再將淺基點錨固器推入孔中設計位置，抽出錨桿后，手拉一下鋼絲繩，確認錨固器已錨固牢固。將套管組件（其下端為固定點）插入鉆孔口，同時將鋼絲繩從刻度尺端向外拉，確保兩個刻度尺指示環移動順暢，不受任何卡阻，并確認套管組件已固定在鉆孔中。將淺部標尺初始讀數設置為10mm，深部標尺初始讀數設置為20mm，每次進尺后都對其進行讀數，直至連續3次深部與淺部標尺都無位移產生為止。

4.2 監測結果與分析

表1所示為頂板離層儀監測的數據，從中可以看出，前6次進尺深部標尺均有位移產生，而此時工作面距離測點8.8m；前7次進尺淺部標尺均有位移產生，而此時工作面距離測點10.2m。在爆破擾動和礦壓的共同作用下，頂板產生一定的下沉位移，但是位移量很小，最大不超過10mm，爆破擾動并未造成頂板突然下沉現象的產生。隨著工作面與測點的距離增加，位移量逐漸減小直至沒有位移產生，支護結構趨于穩定，累積總位移量最大為35.7mm，遠遠未達到離層的現象，頂板維持在安全的狀態中。

表1 頂板離層監測數據表

5 結語

從鉆孔窺視儀得到的圖像中可以看出，在爆破擾動后，剛支護結束的支護區未產生頂板大面積塌落，頂板巖層未有薄弱層出現，也沒有離層的現象產生，支護結構能夠保證穩定與安全。根據頂板離層儀的監測數據進一步驗證，爆破擾動下，未產生突然的頂板下沉量，頂板巖層產生隨著工作面推進逐漸減小的下沉位移，且隨著工作面的推進，影響逐漸減小直至幾乎沒有影響，累積的總位移量遠遠未達到離層現象，現有的支護結構能夠保證圍巖的穩定與安全。