長距離錨桿索支護煤巷在線圍巖觀測系統的應用

張倍源，同曉軍，張佳龍

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

錨桿(索)支護巷道受原巖應力和采動壓力影響，經常出現頂板離層、下沉現象，嚴重的造成桿(索)體斷裂，托盤脫落，支護失效從而引發頂板冒落事故，嚴重影響礦井安全生產，因此錨桿(索)支護巷道礦壓觀測工作在煤礦安全生產過程中尤為重要。《煤礦安全規程》規定，錨網支護煤巷、半煤巖巷必須進行頂板離層觀測[1]。《煤礦巷道錨桿支護技術規范》規定，錨桿支護巷道要定期進行礦壓觀測，煤巷距掘進工作面迎頭50 m內，礦壓觀測頻次每天不少于一次，50 m以外，觀測頻次可為每周一次[2]。傳統的觀測方法一般都是人工觀測，及時記錄相關數據，依據觀測數據分析巷道壓力顯現情況，根據監測評估安全風險，以便做好相關安全措施，防止安全事故[3-15]。但人工觀測誤差較大、效率較低，對于長距離巷道需要消耗大量人力、物力且效果不佳。黃陵礦業公司二號煤礦418工作面膠帶巷掘進工作面采用在線圍巖觀測系統進行礦壓觀測，準確分析記錄頂板離層和錨桿(索)受力等數據，為巷道頂板管理提供可靠依據。

1 工程概況

陜西黃陵二號煤礦418工作面膠帶巷位于井下四盤區右翼，設計長度為2 467 m。巷道沿煤層頂板掘進。掘進煤層為2號煤層，屬侏羅系中統延安組，煤層呈黑色，弱瀝青光澤，半暗-半亮型，條帶狀結構，層狀構造，內生裂隙發育，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，長石次之。418膠帶巷掘進范圍內根據三維地震勘探結果顯示，該區域內無較大斷層存在，但在掘進過程中可能揭露小型斷裂構造。

2 礦壓觀測的意義和目標

2.1 礦壓觀測意義

煤礦開采不同區域不同掘進和采煤工作面都有很多不確定礦壓顯現。地層地質具有難以確定性和突變性，黃陵二號煤礦曾發生過錨桿支護巷道因頂板離層儀失效，礦壓觀測不到位，局部巷道頂板在無明顯征兆情況下，頂板離層造成頂板突然冒落，壓壞皮帶架，造成礦井停產3天的二級非傷亡事故，直接經濟損失達2 000余萬元，因此，為及時監測到頂板離層預警值、支護失效等重大風險和隱患，需要對錨桿支護巷道工程進行礦壓觀測，根據觀測結果評估安全風險，以便采取相關安全措施，防止安全事故。

2.2 礦壓觀測目標

完整的現場監測、觀測資料可以為巷道支護的成功實施提供基礎數據并使得設計得以優化，是巷道支護工程得以鞏固和發展的重要保證。

掌握巷道圍巖動態規律性，為巷道支護日常動態化管理提供科學依據；為檢驗支護結構、設計參數及施工工藝的合理性，修改、優化支護參數和合理確定二次支護時間提供科學依據；監控巷道支護的施工質量，對支護狀況進行跟蹤反饋和預測，及時發現工程隱患，以保證施工安全和軟巖巷道穩定；為其他類似工程的設計與施工提供全面的參考依據；通過監測資料，可作為判斷沖擊可能性和預防措施。

3 418工作面膠帶巷礦壓觀測實施方案

3.1 418工作面膠帶巷圍巖礦壓觀測方案的選擇

錨桿支護巷道通常進行頂底板及兩幫移近量觀測和安裝頂板離層儀深、淺基點離層量觀測。頂底板及兩幫移近量觀測時至少2人協作，當巷道內存在皮帶機等運輸設施時，觀測很不方便，觀測誤差大、效率較低。當巷道高度較高時，頂板離層儀觀測需要登高作業，影響人身安全。現場完成一處礦壓觀測站觀測時間約10 min。

418工作面膠帶巷設計長度2 467 m，掘進期間至少每隔50 m就需設置一處礦壓觀測站，巷道施工完成后，巷道內至少需要設置50處礦壓觀測站，如果采用人工觀測的方法，50處觀測站一次觀測完成至少需要8 h以上，加之上、下井路途時間達10 h以上，觀測任務和勞動強度過大。為此，礦井采用在線觀測的方式對巷道圍巖進行觀測。

3.2 巷道表面收斂監測

通過巷道表面位移觀測數據可較好地判定巷道圍巖的運動情況，分析圍巖是否進入穩定狀態。巷道表面位移監測包括底鼓、兩幫相對移近、頂板下沉等內容。主要是通過在巷道內布置測點，觀測各個測點之間距離的變化確定。

監測目的：通過巷道收斂量預測巷道圍巖穩定性；測試巷道頂底和巷幫中點的位移規律；測試巷道頂底板和巷幫不同的收斂規律；分析監測數據評價巷道穩定性。

測點的布置：采用十字布點法，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置Fig.1 Measuring point layout

測點的安裝與測量：在頂底板中部垂直方向和兩幫水平方向鉆孔徑φ28 mm、深380 mm的孔，將φ28 mm、長400 mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設彎形測釘，底板和下幫木樁端部安設彎形測釘。

觀測方法：使用HT-JS30A-10型巷道收斂監測儀進行觀測，直接讀取相關數據，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測

通過多點位移計可以判斷巷道圍巖內部的變形及破壞情況，測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，通過巷道圍巖內部的變化預測巷道圍巖穩定性。測點布置如圖2所示。

圖2 深部位移測點布置Fig.2 Layout of deep displacement measuring points

儀器的安裝與測量。對巷道頂板離層監測采用的是深部兩點位移計，用鉆機在巷道頂板和幫部相應的位置打上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，將離層儀上的測線拉緊固定。監測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 圍巖變形能監測

通過儀器監測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。監測一定深度圍巖的變形能量積累，可以評估一定范圍區域礦壓特征，也可以通過多點能量規律推演區域礦壓演化。

3.4.1 儀器的安裝與測量

錨索荷載傳感器由一個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，把壓力盒套在錨索墊板(托盤)和外錨固端的螺母之間，即可以檢測錨索工作時軸向力變化情況。使用時要首先對錨索施加預應力，記下壓力盒指示的壓力值，此后定時讀取壓力值，獲取錨索壓力與時間變化的關系。荷載傳感器安裝方法如圖4所示。記錄初始值以后，實時在線觀測。

圖4 圍巖變形能測點布置Fig.4 Layout of surrounding rock deformation energy measuring points

3.4.2 監測儀器

礦用本安型電腦記憶錨桿(索)受力監測記錄儀，如圖5所示。

圖5 錨桿(索)受力監測記錄儀Fig.5 Anchor bolt(cable) force monitoring recorder

4 結論

(1)使用在線圍巖觀測系統后，巷道表面收斂量、巷道頂板離層及深部位移量、錨桿(索)受力等數據可實現實時在線觀測，數據觀測的準確性和及時性大大提高，在人為設定預警值后，還可實現自動報警功能。

(2)使用在線圍巖觀測系統后，僅需隨著巷道掘進長度的增加而增設在線礦壓觀測站，由以往的至少2人配合觀測，減少為1人觀測，相比人工現場觀測，勞動強度大為降低。

(3)如在線圍巖觀測系統監測到頂板離層儀安裝后10 d內頂板下沉量≥50 mm、下沉速度≥50 mm/d或安裝后50 d內頂板下沉量≥100 mm、下沉速度≥2 mm/d時，礦井及時采取加強巷道支護措施，補打錨桿、錨索或加密、加長錨索等措施，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生。