矿压监测技术在巷道支护设计中的应用

荀建梁

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤矿， 山西 洪洞 041600)

目前，三交河煤矿主采11#煤层，因局部段顶板锚杆无法锚入稳定岩层，为确保顶板强度，11#煤层掘进工作面采取“全锚索”支护方式进行支护。根据11#煤层已掘巷道可知，在掘进期间顶板出现破碎、随掘随落等现象，支护环境不佳造成矿压规律掌握不准确，同时施工进度缓慢、成本较高。

故选取11-1041巷掘进工作面为对象，通过矿压监测分析，优化支护设计，由原顶板“全锚索”支护变为“锚杆+锚索”联合支护形式，使11#煤层回采巷道支护设计更加科学合理、安全可靠，同时降低支护成本，提高施工效率。

1 11-1041巷基本情况

1.1 巷道布置情况

1.2 工作面支护形式

巷道断面为宽4.5 m×高3.2 m，顶板支护采用锚网、锚索、钢带联合支护方式，顶锚索采用长短锚索联合支护，“一·四”为1×7/d21.6 mm×5.2 m的短锚索，“二·三”为1×7/d21.6 mm×7.2 m的长锚索，间排距1 200 mm×1 000 mm. 帮部采用锚网梁支护方式，帮锚杆选用BHRB-335/d20 mm×2 m的高强锚杆，“三·三”布置，间排距1 200 mm×1 000 mm. 全锚索巷道断面支护图见图1.

图1 全锚索巷道断面支护图

通过现场监测，在巷道顶板全锚索支护条件下，巷道围岩整体较稳定，支护形式能够满足巷道支护强度要求，但在掘进期间，顶板完整性较差，局部出现顶板破碎现象，需采取措施改善围岩完整性及承载能力。

2 支护优化

2.1 支护设计

根据现场巷道围岩情况及工程类比法，确定巷道支护方式，即：顶板采用锚网、锚杆、锚索、钢带联合支护方式，顶锚杆选用d20 mm×2.5 m的高强锚杆，“六·六”布置，间排距800 mm×800 mm，顶板肩角锚杆距帮250 mm；顶锚索选用d21.6 mm×7.2 m的钢绞线，“二·二”布置，间排距1 800 mm×2 400 mm，锚索施工在两排顶锚杆正中，顶板肩角锚索距帮1 350 mm；帮锚杆选用d20 mm×2.0 m的高强锚杆，“三·三”布置，间排距1 200 mm×1 200 mm，第一根帮锚距顶板300 mm.锚杆/索联合支护巷道断面图见图2.

图2 锚杆/索联合支护巷道断面图

2.2 支护效果模拟

采用有限差分数值计算程序FLAC3D建立模型，分析掘进期间巷道在该支护方案下的变形情况、巷道围岩塑性区分布情况。

巷道顶底板及两帮变形情况见图3，4. 由图3，4可知，巷道顶板最大下沉量25 mm，最大底鼓量10 mm，顶板下沉量大于底鼓量，最大变形位置发生在巷道顶底板中部；两帮移近量均为16 mm，移近量最大处均在两帮中部。该方案支护后巷道整体位移量不大，说明巷道的支护强度能控制巷道围岩的变形。

图3 巷道顶板下沉和底鼓情况图

图4 巷道两帮移近情况图

巷道的塑性区分布情况见图5，由图5可知，巷道4个角有围岩屈服破坏现象，巷道围岩屈服破坏范围很小。

图5 巷道围岩塑性区分布情况图

数值模拟结果表明：巷道通过锚杆、锚索组合支护系统，有效控制了巷道表面围岩的变形，起到了应有的支护效果。巷道的支护强度能满足巷道在使用期间对变形的要求。

3 支护效果监测

为验证支护设计的合理性，现场采用综合监测、日常监测、松动圈探测、测力锚杆监测等手段，对支护方式优化后的锚杆、锚索联合支护效果进行监测[1].

1) 综合监测。

a) 顶板离层监测。

顶板离层采用YHW-300型光感离层仪进行监测。因巷道顶板采用7.2 m锚索、2.5 m锚杆联合支护，故离层仪深基点布置在巷道顶板7.3 m处，浅基点布置在巷道顶板2.4 m处，深基点初安值为2 mm、浅基点初安值为1 mm. 监测曲线见图6. 由图6可知，顶板离层监测曲线无变化，说明在掘进过程中，巷道顶板稳定，无离层现象。

图6 顶板离层变化曲线图

b) 锚杆/索工作载荷监测。

锚杆/索工作载荷采用MCS-400型光感测力计进行监测，分别在顶板1#、3#、4#、6#锚杆，左帮1#、2#锚杆，右帮1#锚杆，顶板中部锚索安设测力计对锚杆/索工作载荷进行监测，布置示意图见图7，监测曲线见图8.

图7 锚杆/索测力计布置示意图

1—顶锚索应力 2—顶板4#锚杆应力3—顶板3#锚杆应力 4—顶板1#锚杆应力5—右帮1#锚杆应力 6—左帮1#锚杆应力7—顶板6#锚杆应力 8—左帮2#锚杆应力图8 锚杆/索受力变化曲线图

由图8可知，巷道掘进8 m范围内，锚杆/索受力变化最大，在掘进13 m后各测力计变化速率趋缓，但仍有增大趋势，此范围内主要是安装测力计距迎头过近，受掘进采动影响；在掘进50 m左右后锚杆/索受力基本不变，围岩压力稳定。

根据监测数据可知，巷道顶板3#、4#锚杆变化最大，变化值分别为62 kN、52 kN，说明巷道开挖后，帮部锚杆受力变化较小，但整体呈增大趋势，说明顶板支护强度较高，顶板压力传递在两帮的压力较小。其中顶板6#锚杆、左帮2#锚杆受力先变小后变大，是因为巷道开挖后左帮较不稳定，在掘进5 m后左帮及顶板右侧稳定后，受掘进采动影响，锚杆受力呈增大趋势。总的来说，各测力计变化在允许范围之内。

c) 表面位移监测。

表面位移监测采用十字布点法安设测站，每个测站安装两个监测断面，沿巷道轴向间隔2排。监测曲线见图9. 由图9可知，巷道在掘进过程中围岩相对比较稳定，未发生位移变化。

1—2#测点交点左位移 2—1#测点交点左位移3—2#测点交点右位移 4—1#测点交点下位移5—1#测点交点右位移 6—2#测点交点下位移7—2#测点交点上位移 8—1#测点交点上位移图9 巷道表面位移变化曲线图

根据监测情况可知，巷道顶板稳定，未发生离层现象；在掘进过程中，受巷道掘进采动影响，锚杆、锚索受力有增大现象，但在合理范围之内，工作面向前掘进50 m后锚杆/索受力趋于稳定；且围岩未发生位移，围岩相对比较稳定。说明巷道支护强度高，能够有效保证围岩稳定。

2) 日常监测。

支护优化后，工作面又建立5组顶板离层仪、测力计在线监测测站。通过日常监测可知，各顶板离层仪未发生离层；各测力计观测值整体增大(锚索测力计最大变化值60 kN，锚杆最大变化值29 kN)，但趋于稳定，观测值在正常范围之内。由此可知，巷道支护有效，顶板稳定。

3) 松动圈探测。

松动圈测试主要采用超声波围岩裂隙探测仪，主要方法为单孔声波法，依据波速在岩体中传播这一特性，根据波速的变化规律判定围岩松动范围，即声波随岩石破裂程度增加，传播时间越长，声速越低[2]. 现场分别在顶板、左右两帮施工钻孔，采用探测仪对松动圈厚度进行探测。测试结果见图10，11，12.

图10 右帮松动圈测试结果图

由图10可知，右帮的测试时间在0.8 m处急剧变小，波速变大，说明破碎程度明显减弱，完整性较好，松动圈厚度在0.8 m左右。

图11 左帮松动圈测试结果图

由图11可知，左帮的测试时间在0.9 m处急剧变小，波速变大，说明破碎程度明显减弱，完整性较好，松动圈厚度在0.9 m左右。因顶板右高左低，所以左帮承受压力较大，故破碎程度较右帮大。

图12 顶板松动圈测试结果图

由图12可知，顶板的测试时间在1.5～1.7 m处急剧变小，波速变大，说明破碎程度明显减弱，完整性较好，松动圈厚度在1.5～1.7 m.

现场顶板使用2.5 m的锚杆、帮部使用2.0 m的锚杆，能够阻止松动圈内岩石的进一步软化，并对围岩强度进行恢复，至少使一部分恢复到弹性状态，以提高其残余强度，提高巷道稳定性，提高承载能力，阻止围岩变形。

4) 测力锚杆监测。

通过安设测力锚杆，对顶板锚杆受力位置进行监测，根据杆长选择合理的间距布置多个测点，当杆体受力变形时，内部应变片电阻值会发生相应变化并转换成该点处锚杆受力[3]. 锚杆受力变化曲线见图13，由图13可知，测力锚杆安装后，杆体受力不断增加，锚杆受力在浅部围岩及深部围岩处较小，中间部分受力最大，距离顶板1.0 m深处锚杆受力最大，表明1.0 m深处围岩活动最剧烈，对锚杆影响较大，但最大受力为85 kN，未超过屈服强度，说明支护有效。

图13 锚杆受力变化曲线图

现场顶板锚杆使用Z2388、CKb2360型树脂锚固剂各一条进行锚固，锚固长度为2.0 m，能够较好地控制顶板变形。

5) 顶板反馈。

通过现场观测可知，顶板破碎的现象显著改善，说明锚杆支护对锚固范围内的围岩提供一个径向压力，使因巷道开挖失去应力平衡的围岩达到新的力学平衡，锚固范围内的围岩强度得到恢复，部分进入加载时的弹性状态，提高了巷道稳定性和承载能力。

4 结 论

1) 采用矿压监测技术，得出了11-1041巷采用“锚杆+锚索”联合支护形式下的矿压显现规律，在距离工作面8～13 m，对巷道围岩影响最大，且巷道中部锚杆受力最大，局部受力最大值为60 kN；距离工作面50 m后，围岩趋于稳定；锚杆在浅部围岩及深部围岩处受力较小，中间部分受力最大，距离顶板1.0 m深处围岩活动最剧烈，最大受力为85 kN，未超过屈服强度；巷道顶板松动圈厚度为1.5～1.7 m，两帮松动圈厚度为0.8～0.9 m，选择2.5 m的顶锚杆、2.0 m的帮锚杆能够有效控制围岩变形。

2) 对支护成本进行对比，全锚索支护延米费用为1 682元/m，采用锚杆、锚索联合支护后，延米费用为1 438元/m，延米费用节约244元/m.

3) 对支护优化前后的正规循环进行测定，支护优化前循环进尺为7 m/日，支护优化后循环进尺为10 m/日，提高了3 m/日.