光纤光栅技术在塔山矿高应力显现巷道中的应用

沈明柱



光纤光栅技术在塔山矿高应力显现巷道中的应用

沈明柱

摘要采用光纤光栅技术对塔山矿高应力显现巷道进行矿压观测，通过监测巷道变形、锚杆受力情况等数据，分析相邻工作面回采对已掘巷道的动压影响范围及强度，为后续对采对掘巷道掘进支护提供理论依据。关键词光纤光栅；高应力；支护载荷；监测

0引言

塔山矿3～5#层二盘区8216工作面5216巷，沿煤层底板掘进，根据提供的资料，5216巷在前掘过程中揭露24条正断层及1条火成岩墙（1.00 m～2.40 m宽）。此外，同时该巷道相邻8214现采工作面，受相邻工作面采动影响，动压显现明显，顶板闷响频繁，顶底板及两帮变形严重，巷道稳定控制难度大。为此我们在5216巷采用光纤光栅技术监测巷道受力变形情况，为巷道围岩稳定性评估和支护方案的继续优化与合理性评价提供依据。

1监测方案

监测内容主要包括围岩支护荷载变化规律、顶板离层和巷道表面位移。围岩支护荷载变化通过监测锚杆受力进行。锚杆受力采用光栅锚杆、电子测力锚杆和锚杆(索)压力传感器进行监测，顶板离层采用光栅顶板离层仪进行监测，巷道表面位移监测采用十字布点法进行。

1.1围岩支护荷载变化规律监测

1.1.1监测手段

监测围岩支护载荷变化规律监测采用KNPGDY70G型光纤光栅测力锚杆、KDM-1型测力锚杆和KNP-GMY150G型光纤光栅锚杆(索)压力传感器对巷道支护受力情况进行监测。具体布置如图1、2。

图1测力锚杆布置示意(单位/mm)

每一监测断面布置3根光纤光栅测力锚杆，分别位于顶板中部和两帮中部。

KNP-GMY150G光纤光栅锚杆(索)压力传感器布测站布设在测站锚杆测站1～1.5倍锚杆排距范围内，但需另外打锚杆或用已安装的锚杆(视锚杆外露长度而定)。锚杆(索)压力传感器布置如图2所示。

图2锚杆(索)压力传感器布置示意(单位/mm)

每一测站布设3个KNP-GMY150G型光纤光栅锚杆(索)压力传感器，两帮和顶板各1个，监测锚杆所受的总轴力。锚杆(索)压力传感器监测数据通过光缆将传输到地面主机，实现监测数据自动采集。

1.2监测及测点布置

为监测8214工作面回采和5216顺槽掘进该巷道的叠加影响，特在回采与掘巷交锋面一定范围内布置矿压监测站，如23页图3所示。

图3矿压测站布置示意

矿压监测站布设在5216顺槽内，该巷道掘进和8214工作面回采交锋面前约10 m布置第三个测站，后退70 m和140 m分别布置第二个、第一个测站，以继续监测采动影响。

2巷道表面位移及内部离层监测

巷道围岩位移是巷道岩体强度、地应力以及工程条件综合作用的最终体现。为研究巷道开挖至稳定的应力调整过程中围岩位移情况，对巷道围岩表面收敛及内部离层情况进行监测。

2.1围岩表面位移监测

巷道表面位移测量可以采用十字布点法，设置表面位移监测断面（见图4）。

图4巷道表面位移监测示意(单位/mm)

巷道表面位移测站布设在测力锚杆测站1～1.5倍锚杆排距范围内，以方便数据对比分析。顶底板测点位于顶板或底板中部，两帮测点距巷道底板约1.5m位置。安装测点时需注意，4个测点应在一个断面内，以提高监测数据的准确性。

2.2顶板离层监测

顶板离层监测采用KNP-GUG180型光纤光栅离层传感器(图5)进行。

图5 KNP-GUG180光纤光栅离层传感器示意

KNP-GUG180光纤光栅离层传感器主要用于测试顶板岩层锚固范围内位移量。其工作原理是通过将离层仪基点锚头固定在稳定岩层内，浅基点固定在运动岩层内。当岩层有离层现象发生时，锚头及测试绳向下移动时，离层仪内光纤光栅受力发生相应改变，引起波长变化。

2.2.1巷道顶板离层监测测点布置

图6为KNP-GUG180光纤光栅离层传感器布设位置示意图。

图6离层传感器布设位置示意(单位/mm)

每一测站布设1个KNP-GUG180光纤光栅离层传感器于巷道顶板中部，监测点深度分别为3 m和8 m，与锚杆、锚索长度相匹配。

3传感器布置平面

为研究8214工作面回采对5216顺槽掘进期间影响规律，特在回采与掘进交锋面一定范围内布置锚杆受力与巷道变形监测站（该试验段支护方式为顶板破碎段支护方案），三个测站分别位于5216巷1 380 m、1 445 m、1 490 m处（从盘区回风巷算起），交锋位置为1 519 m处。其中测站Ⅰ与测站Ⅱ间距为65 m，测站Ⅱ与测站Ⅲ距离为45 m。具体位置见24页图7所示。

图7矿压测站布置示意

测力锚杆全部选用Φ25×2 530 mm，锚固长度约为1 150 mm，每根测力锚杆布置5个测点，各测点分布情况如图8所示。

图8测点位置分布

4监测数据结果

4.1测站Ⅲ监测数据处理

图9测站Ⅲ数据处理结果

图9（a~c）为光纤光栅测力锚杆应力增量变化曲线，监测结果表明邻近工作面回采对锚杆工作状态影响较大。随着回采面接近测站Ⅲ，各锚杆轴力的受力逐渐增大，回采面超前测站Ⅲ10 m~20 m开始，轴力变化趋势加剧；当回采工作面错过测站Ⅲ120 m后，轴力的增量变化趋势变缓，最后趋于稳定。

左帮（工作面帮）锚杆轴力增量最大出现在测点2处，为167 kN；最小增量出现在测点4处为88 kN。左帮锚杆受力明显大于右帮，是由于右帮围岩的扰动范围较大，整个锚固区域均在扰动范围内，锚固区被整体挤出，所以锚杆受力较小；而左帮围岩的扰动范围较小，锚固端位于弹性区域内，所以左帮锚杆轴力增量较大。

4.2测站Ⅱ监测数据处理

图10测站Ⅱ数据处理结果

图10（a~c）测力锚杆的数据变化规律与图9 （a~c）的变化规律大致相同，-20 m~80 m距离内，锚杆轴力增量变化趋势加剧，且没有明显放缓趋势。

对比图10（a）与图9（a）可以发现，测站Ⅱ处右帮锚杆受力明显大于测站Ⅲ，说明测站Ⅱ处煤柱帮的扰动范围小于测站Ⅲ，锚杆锚固端位于弹性区内。

4.3巷道变形监测结果

4.3.1掘进期间巷道变形

掘进期间巷道变形如图11所示，顶板的最大下沉量为40 mm，两帮总的收敛量为60 mm，右帮的变形量为25 mm，占两帮收敛量的41.7%，掘进工作面超过测点80 m以后巷道变形趋于稳定。

图11掘进期间巷道变形

4.3.2邻近工作面回采期间巷道变形结果

邻近工作面回采期间巷道变形如图12所示，顶板最大下沉量为138 mm，两帮总的收敛量为190 mm，而右帮的变形量达到125 mm，占两帮收敛量的66%，顶板的下沉量为右帮移近量的1.1倍，回采期间巷道变形量明显大于掘进期间变形量，回采期间顶板下沉量和两帮收敛量分别是掘进期间的3.5倍和3.2倍。回采工作面采过测点120 m以后，巷道变形速率变缓趋于稳定。

图12邻近工作面回采期间巷道变形

5结论

（1）邻近8214工作面回采对5216巷道超前影响范围较小为10 m~20 m，但滞后影响范围较大，超过120 m；

（2）5216巷煤柱帮锚杆的受力小于工作面采煤帮，但煤柱帮的变形量较大，占总变形量的66%，

说明煤柱帮围岩破坏范围明显大于工作面帮，并且煤柱帮锚固区域被整体挤出，锚杆支护没有发挥出最大的效果；

（3）相邻8214工作面回采速度对5216巷巷道矿压显现影响较大，当8214工作面回采速度大于5 m/ d时，对应5216巷测点监测到锚杆支护受力增大较快，巷道变形速度较大，当回采速度低于3 m/d时，对应5216巷测点监测到锚杆支护受力稳定，巷道变形趋缓。

沈明柱，男，1963年12月出生，现在大同煤矿集团寺塔煤矿有限责任公司工作，高级工程师。

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

作者简介

中图分类号TD326

文献标识码A

文章编号1000-4866 (2016) 01-0022-04