专题-回采巷道顶板离层分析及其监测

专题回采巷道顶板离层分析及其监测摘要：顶板离层是锚杆支护巷道最大的安全隐患，在回采工作面两巷设置项板离层监测点，并在整个回采期间对巷道项板离层进行全程跟踪监测，是消除锚杆支护巷道安全隐患最有效的措施之一。本文重点介绍了锚杆支护巷道项板离层产生的主要原因和形式，顶板离层的观测、成果整理及临界值确定方法，最后以DLZ一2型顶板离层指示仪为例。关键字：回采巷道；顶板离层；顶板离层指示仪1 引言顶板离层是巷道围岩变形和破坏的主要形式之一。顶板离层系指巷道顶板岩层中一点与其正上方一定深度某点间的相对位移量,可称为广义顶板离层。实际应用中一般将广义顶板离层划分为锚杆锚固范围内顶板离层和锚固范围外顶板离层。通常将“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离,可称其为狭义顶板离层。广义顶板离层有着更广阔的内含,它除包括狭义的“顶板离层”外,还包含顶板岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。当顶板离层超过一定范围，即表明顶板处于非稳定状态。因此应随时对巷道顶板所处状态进行监测，及时采取相应措施，否别会导致恶性顶板事故的发生。顶板离层指示仪就是用以测试锚杆长度范围及范围外的顶板离层状况的监测仪器，用于判别锚杆支护参数是否合理，巷道服务期间顶板是否稳定。如果离层指示仪读数超过规定参数，可及时采取加固措施，避免顶板事故发生。离层指示仪的监测结果也可作为修改、完善锚杆支护初始数据的依据之一。近几年来，煤巷锚杆支护技术在我国煤矿发展很快，生产实践表明在回采巷道中合理采用锚杆支护技术具有支护效果好、成本低、有利于回采工作面快速推进等突出优点，可在短时期内给煤矿带来巨大的经济效益。但煤巷锚杆支护技术也存在着不容忽视的隐患，即煤巷顶板的破坏隐蔽性强，许多冒顶没有明显的预兆，而突发性冒顶会造成极为严重的危害。因此，对锚杆支护巷道进行离层监测掌握顶板离层的状况，对及时采取相应的措施。阻止顶板失稳、避免突发性破坏的发生是至关重要的。2 顶板离层分析2.1 顶板离层的表现形式顶板离层系指巷道服务期内顶板岩层中一点与其正上方一定深度岩层中某点的相对位移量。实际应用中一般将顶板离层划分为锚杆锚固范围内顶板离层和锚固范围外顶板离层。从顶板离层的定义可以看出顶板离层与其字面含义是不同的，“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离，可称其为狭义顶板离层。广义顶板离层有着更广阔的内含，它除包括狭义的“顶板离层”外，还包含顶板岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。图1 巷道顶板离层示意图2.1.1 弹塑性变形井下巷道由于受到原始应力的作用，开掘前处于弹性压缩状态，开挖后原始应力平衡遭到破坏，一部分弹性能得以释放，围岩就会产生向巷道内移进的弹性变形。开挖后的新应力场在形成过程中产生应力集中，一部分围岩会受到超过屈服极限的应力作用进入塑性，而产生塑性变形。巷道的弹塑性位移主要取决于原岩应力和围岩的力学特征，一定的围岩条件下，应力增加，弹塑性变形量和塑性区半径都有不同程度的增加。2.1.2 岩层扩容扩容是指岩层在剪切应力的作用下体积膨胀的现象。试验研究表明，岩石的扩容与其所受应力偏量关系很大，顶板岩层的应力偏量达到一定极限，就会发生扩容现象，直观表现为顶板离层。当应力偏量超过一定极限时，岩石就发生扩容现象。应力偏量继续增加，则扩容也随之加大。当岩石发生破坏之后，应力虽然降低，但体积变形一直在增大，直至残余强度。对于某些含有粘土类矿物(主要有高岭石(Kaolinite)、蒙脱石(Montmorilonite)、伊利石(Illite)的岩石，遇水吸潮后会发生体积膨胀，引起明显变形。2.1.3 狭义顶板离层煤系地层呈明显地层状分布，并且多受节理裂隙切割，这在煤系地层的沉积和地质变动过程中即已形成。各分层及节理裂隙胶结程度低，力学性能差，是天然的力学弱面。巷道变形失稳首先从这些弱面开始，微观表现为弱面间的滑动和张开，宏观上就表现为岩层的折曲与位移。特别对于回采巷道顶板岩层，当弱面张开后，各层之间失去了力学联系，由于岩层自重和水平力的挤压作用，离层有进一步扩大的趋势。狭义顶板离层在广义离层中占有很大的比重，这在实际观测中得到了证实。2.2 与顶板离层相关各因素分析2.2.1 地应力地应力是引起巷道围岩变形和破坏的根本原因。随着应力的增加， 围岩的弹性位移、塑性位移、扩容位移都呈增长的趋势。2.2.2 围岩力学性质围岩力学特性对巷道稳定性有重要影响。表征围岩力学特性的物理量主要有：围岩强度、弹性模量E、剪切模量G、内摩擦角 、凝聚力c等围岩力学指标越高，巷道变形越小，巷道越稳定。2.2.3 顶板岩层结构煤层巷道围岩一般呈层状分布，并且不同程度地受节理 裂隙切割。巷道顶板岩层各分层的岩性、厚度及节理裂隙发育程度 对顶板稳定影响极大。在巷道顶板岩性一定的情况下，分层厚度、节理裂隙间距越大，巷道顶板稳定性越好，顶板离层值就越小。2.2.4 锚杆支护参数在一定的围岩条件下锚杆的密度、直径、长度、锚固长度增加，锚杆预紧力加大，顶板下沉量都有不同程度的减小 在设计中要综合考虑支护成本和支护效果。最大程度地满足技术和经济双方面的要求。2.2.5 巷道断面巷道断面的大小和形状也对巷道的稳定有重要影响。巷道断面尺寸愈大，愈不利于巷道的稳定在各种形状的断面中，椭圆形巷道最稳定，拱形次之，矩形巷道容易在周边产生高集中应力和拉应力，稳定性最差在一定地应力条件下，巷道高宽比不同会在围岩中产生不同的附加应力，对巷道稳定性产生影响。对于椭圆形巷道，巷道的轴比(宽度b与高度a的比值)与侧压关系(水平应力与垂直应力的比值)相等即ba=l时，巷道最稳定；当ba时，对巷道稳定不利；当baS1S2S3 (S1、S2、S3分别为1 m测点，2m测点和3m测点的下沉量)所以在实际测量中，Ll、L2与L3的关系必然为Ll0，则说明巷道顶板表面与测点1之间有离层出现，其差值即为离层量。如果：L2一Ll0，则说明测点2与测点1之间即1 m 点与2m 点之间有离层出现，其差值即为离层量，如果：L3一L20，则说明2m测点与3m测点间有离层，其差值即为离层量。所以，通过以上计算，用L2是否大于0，判断出顶板至1 m点间离层；L2一Ll是否大于0，判断出1 m 点至2m点间离层量；L3一L2是否大于0，判断出2m点到3m点间是否出现离层。3.2 顶板离层临界值确定方法用巷道顶板离层指示仪可以测出每个测点处距巷道顶板不同深度的顶板离层量和所在位置，但1个测点所测出的结果只能说明测点自身及其附近巷道顶板的离层情况，要想对整个巷道顶板的离层情况进行监控，则需在巷道内每隔一定距离设置1个测点，这样就由这些测点在所要监测的巷道内形成一条监测线，定期对这些测点进行观测，就可以达到对整个巷道顶板进行监测目的。顶板离层量日常观测成果整理比较简单，但如果测点较多，计算量大。主要是依靠顶板离层量危险“临界值”来判断顶板是否有垮落的危险。因此， 巷道顶板离层量的危险临界值确定是至关重要的。对每条巷道来说，其巷道顶板离层量的危险临界值都应有两个， 即锚杆锚固范围内和锚固范围外应有不同的离层量危险临界值。锚杆锚固范围内离层量危险临界值应根据锚杆有效伸长量来确定，锚杆有效伸长量即是锚固在巷道顶板上的锚杆在受拉作用时，其受拉力达到其设计拉拔力时的伸长量， 危险临界值一般都小于或等于锚杆有效伸长量。但：-经过多条巷道观测证明，锚杆锚固范围内实际顶离层远小于锚杆有效伸长量。锚杆锚固范围外项板离层临界值虽然可以根据岩梁厚度、巷道宽度及岩层性质来计算，但理论计算往往都是以岩梁为均质体作为假设条件，而实际上巷道顶板岩性及节理裂隙发育程度都有很大的不确定性， 所以最好的确定办法就是通过实际观测，特别是观测到那些即将要冒落的顶板不同深度的离层量，所确定的离层临界值才有说服力。在实测中常用的方法是，当实际发生了巷道顶板垮落现象时，则直接取此处顶板离层量作为预报危险的临界值，如果在所观测巷道中没有顶板垮现象发生同时也无类比经验参数时，则可根据经验预设一个量值较小的离层量作为准临界值，在观测过程中逐步修正。如在观测过程中实际顶板离层量没有达到预设值且顶板也无危险情况发生，则继续使用预设值作为临界值。如在观测过程中实际顶板离层量达到或超过了预设临界值，但巷道顶板没有发生危险的迹象，则可适当加大预设临界值，然后再继续观测和修正。已有的观测结果可作为以后同类巷道观测的准临界值，即当以后在同类巷道中观测时，可以用此次观测没有发生项板垮落危险时最大离层量作为临界值， 当所观测的巷道顶板离层量小于此值时，则不必修正，如果大于此值，但顶板完好，无危险迹象，并能安全采过时，可将临界值增大至所观测到的离层量。3.3 锚杆支护质量监测系统软件介绍锚杆支护质量监测数据量大，专业性强，现场实测数据整理劳动强度大，而监测数据的时效性强，为了及时掌握巷道或工作面矿山压力状况和变化情况，提高监测数据的管理水平，我们针对工作面两巷矿压观测，开发了锚杆支护质量监测系统软件。3.3.1 系统简介系统设计的目标为，在数据库技术的支持下，应用Visual Basic6.0实现锚杆支护监测数据的的集中管理，包括表面位移，深部位移，顶板离层，顶底板移近量，锚固力等监测参数的录入，在系统中集成各项监测指标的计算方法， 实时管理巷道或工作面锚杆支护质量，为矿山安全管理提供技术保障和决策。系统的主要功能包括：(1)监测数据库的建立矿井和巷道基本信息的录入；(2)各项监测指标值的录入；(3)表面位移，深部位移，项板离层，顶底板移近量，锚固力等监测参数的录入，计算和实时更新；(4)位移曲线的绘制及监测数据的可视化；(5)监测数据报表及及各项数据的汇总；(6)依据指标值和现场监测数据制定或修正巷道支护设计方案；(7)支护设计方案中各种工程图件的预览，打印和管理。3.3.2 系统使用文件操作菜单的基本功能包括监测数据文件的创建，打开文件，文件输出，磁盘输出，关闭数据，文件备份，文件删除和退出系统等功能。监测数据文件创建并打开后即可输入巷道基本信息和指标数据，巷道断面的形状，宽度，高度，净断面积，现有的支护参数，锚杆的长度，直径，间排距，巷道围岩的状况，直接项，老顶，两帮的岩性和厚度。在现场实测之前， 根据理论计算可以初步确定理想状态下各项监测参数的指标数据，包括表面位移，深部位移，顶板离层和锚固力的指标数据。监测数据的录入与计算监测数据包括表面位移，深部位移，顶板离层和锚固力，每天将实测数据录入计算机，系统自动储存数据资料，点击”开始计算”命令，系统将分别计算出需要的各项监测参数。为了实现监测过程的可视化， 可以根据监测数据绘制位移曲线，以各测站为横坐标，分别以1m测点，2 m 测点和3 m 测点为纵坐标绘制顶板离层变化曲线，表面位移， 深部位移和锚固力曲线同样也可以绘制。在初步设计方案的基础上，根据现场监测，确定锚杆的最终设计方案、支护方案表现为矢量形式存在的工程图件，工程图件管理器能对工程图件进行管理，包括图件的复制，粘贴，删除，预览和打印。4 顶板离层指示仪的原理及其安装4.1 工作原理在测量顶板离层的过程中，由于在采场或巷道内部都找不到一个不动的基准点，使得对顶板移动、变形的测量没有参照物。本仪器将深基点设在顶板上部6.10m的稳定岩层内，确保所测数据的可靠性。本仪器一个测点设两个基点，一个是深基点固定在稳定岩层内，根据要求确定其深度，最大深度为10m。另一个为浅基点，也是根据要求确定其深度，在锚杆支护巷道中通常设置在锚杆的锚固端。两基点分别有两个相同的测量机构，互相独立。4.2 顶板离层指示仪的构成顶板离层指示仪一般由三部分组成；即孔内测点固定器、位移传动器及孔口测读器。4.2.1 孔内测点固定器顶板离层指示仪所用孔测点固定器，内测点固定器由弹簧钢丝、不锈钢管及环形圈加工而成。如图4所示。我们对这种孔内测点固定器分别在实验室及矿井下对其锚固力进行了测试，作用力均在100 N以上，完全能满足生产要求。4.2.2 位移传动器要使孔内测点的位移传递到孔口，需在孔口与测点之间布置合适的位移传动器。位移传动器的选用需满足如下要求：(1)便于安装和测试；(2)长期使用其自身变形小；(3)能适用于井下潮湿环境而不会锈断。位移传动器可用圆管、钢丝或钢丝绳等材料，顶板离层指示仪一般选用直径为10 mm 的不锈钢钢丝绳，其各项性能均能满足要求。4.2.3 孔口位移测读器孔口位移测读器是顶板离层指示仪的主要部分，由它测读出离层范围和离层量。顶板离层指示仪的孔口位移测读器由直径、长度各不相同的4根不锈钢圆管及两根弹簧组成，如图5所示。图5 孔口位移测读器图中1、2、3、4均为不锈钢圆管。其中管1与管4间通过螺丝固定在一起，不能发生相对移动。管2与管4及管3与管4间由拉压弹簧相连接，弹簧的作用力使管2、管3向右移动。因此，只有在外界拉力的作用下，管2、管3与管4间才能发生相对移动。在管3、管4的右端均标有由绿黄红3种颜色组成的荧光标志层，在标志层外面还标有以毫米为单位的刻度尺。DLZ一2型顶板离层指示仪如图6所示。图6 DLZ-2型顶板离层指示仪4.3 顶板离层指示仪的安装与监测4.3.1 顶板离层指示仪的安装(1)在巷道顶板垂直打 2832 mm 的钻孔，直至打到老顶。(2)将带有不锈钢钢丝的孔内测点固定器，用安装管推到孔底。而后抽回安装管，再将另一个带有不锈钢钢丝的孔内测点固定器推到2 m 左右的深度，其准确位置根据实际情况而定。(3)将不锈钢钢丝穿过孔1:1位移测读器的管1后，将孔1:1位移测读器固定在钻孔孔1:1上。如孔1:1直径大于管1直径，则在孔壁垫上木板片，使孔1:1位移测读器能够牢固地固定住。(4)将不锈钢钢丝拉紧后分别固定在孔I：1位移测读器的管2、管3上。连接深部孔内测点固定器的钢丝与管2相连，连接浅部孔内测点固定器的钢丝与管3相连。管2与管3及管3与管4的端头相互要有分离，使不锈钢钢丝在弹簧力(20N左右)的作用下一开始就处在拉直状态。DLZ一2型顶板离层指示仪具体安装见图7所示。图7 DLZ-2型顶板离层指示仪安装图4.3.2 DLZ一2型顶板离层指示仪的监测方法顶板离层指示仪安装后，要定期进行监测，发现异常现象要及时采取措施。孔1：1位移测读器上所显示的颜色，反映顶板离层的范围及所处的状态。绿色表示安全，黄色表示警告，红色表示危险；孔I：1位移测读器上显示数值，表示离层量大小。管4显示数值表示锚杆长度范围内顶板离层量；管3显示数值表示老顶与锚杆末端范围内顶板离层量。4.4 顶板离层仪在锚杆支护参数优化中应用4.4.1 基本思想锚杆的锚固效果是锚杆与围岩共同作用的结果,因此,锚固效果并不取决于锚杆的长短。一方面锚杆过短时,很可能出现锚杆不能锚入硬岩内,当锚杆锚入岩性较弱或完整性较差的岩层时,锚杆孔周围的集中应力很容易使锚固端围岩破碎,从而使得锚固效果大幅度降低;另一方面,当锚杆过长时也很有可能出现锚入岩性较弱或完整性较差的岩层内。因此,在考虑使用顶板离层指示仪来优化锚杆支护参数时,最基本的考虑就是,如何通过顶板离层指示仪的监测结果来判别出一层深度合适的,岩性和完整性较好的岩层。然后使用与该岩层位置相协调的锚杆进行支护,以期达到提高锚固效果的目的。4.4.2 岩层性状判别的原理及方法岩层性状的判别是通过顶板离层监测实现的,而顶板离层监测是通过在巷道顶板安装顶板离层指示仪实现的。图1所示为根据现场需要改造过的涨壳式塑料锚头顶板离层指示仪。此顶板离层仪监测深为2. 3m ,每0. 5m设1测点,这种顶板离层指示仪具有安装方便、操作简单、读数准确的特点。具体安装方法为,在巷道的顶板中央,向上垂直于顶板钻一个直径42mm ,深2300mm 钻孔,然后用专用安装装置将测点分别固定于孔中2. 3m ,1. 8m和l . 3m 深处,每点都用测杆引出至孔口处,外露长180200 mm ,每点间要用隔离架将测点分开,在孔口处安装一测点引出套。由于套和巷道顶板表面同时运动,因而引出套的下平面即作为测量的基准点。 以SMLC - 3 型离层指示仪为例,最大测深2. 3m ,共有3个测点。分别固定在钻孔的1. 3m,1. 8m和2. 3m深处,所以利用观测数据可判断出1. 3m测点,1. 8m 测点,和2. 3m 测点之间哪一段发生了离层及其大小。然后将测得的离层量与国内公认的顶板离层临界值L 30 mm相比较,判别测点岩层性状是否有显著的差异。从图3 中可见，顶板离层指示仪安装完毕后，测点引出套下口到各测点的距离L1、L2、L3是定值，当巷道顶板出现下沉时，如顶板各层的下沉量不一致时,则到各测点之间距离就会伸长，即L1、L2、L3值增大，其增大值即为两点间岩层的离层量。由于L1、L2、L3不能直接量取，所以在实际测量中由测杆引出头到引出套下口间的距离、和的变化来反映L1、L2、L3的伸长量。如想求巷道顶板点到测点1的离层量L1，则L1 = L1-L1即为两次测量时间段内巷道顶板表面至1. 3m 测点间L1的伸长量。则l2 = l2 - l2为顶板至1. 8m 测点间L2的伸长量，L3 =L3 - L3为顶板表面至2. 3m 测点间的L3伸长量。Li的变化量只能反映出巷道顶板表面分别与1. 3m测点间、1. 8m测点间和2. 3m测点间的变化量，要想得到具体离层地点和离层量, 还需经计算判断出。由于顶板在实际下沉中，顶板表面点与其深部各测点下沉量的关系为S S1 S2 S3 (S1 、S2 、S3分别为1. 3m测点、1. 8 m测点、2. 3m测点的下沉量)，所以在实际测量中的关系必然为L1 L2 L3。如0 L1 L , 则说明1. 3m与顶板表面之间有离层出现，但并不是显著离层，即两点处的岩层性状没有显著差异；如l1EL，则说明两处的岩层性状有显著差异。如0 L2 - L1 L，则说明测点2与1之间,即1. 3m点与1. 8m点之间有离层出现, 但并不是显著离层, 即两点处岩层性状没有显著差异;如L2 - L1 L，则说明1. 3m点与1. 8m点之间有显著离层,即两点处岩层性状有显著差异,且1.8m处岩层性状好于1. 3m处岩层性状。如0 L3 - L2 L，则说明测点3与2 间即1. 8m点与2. 3m点之间有离层出现，但并不是显著离层, 即两点处岩层性状没有显著差异; 如L3- L2 L ,则说明2. 3 m 与1. 8 m 点之间有显著离层,即两点处岩层性状有显著差异,且1. 8 m 处岩层性状好于1. 3 m处岩层性状。所以,通过以上计算,用L2 - L1 是否大于等于顶板离层临界值L 30 mm ,判断出1. 3 m 点与1. 8 m 点处岩层性状是否有显著差异;用l3 - l2 是否大于等于L30 mm ,判断出1. 8 m 点与2. 3 m 点处岩层性状是否有显著差异2 。通过对各测点岩层性状显著差异性的判别选择出最好的岩层性状作为锚杆锚固端锚固的岩层,然后选择与选定岩层相协调锚杆长度进行支护。4.4.3 工程应用实例(1) 试验巷道支护参数、材料规格试验地点位于车集煤矿2301 面下巷。巷道断面为矩形,高宽= 2500 2600 mm。巷道全断面挂网,顶板支护采用18 1800 mm 普通锚杆,每排四根,锚杆间排距为800 800 mm ,钢板网规格:1000 2000 mm。(2) 试验结果及分析试验结果:试验采用SMLC - 3 型离层指示仪,表中位移量为各点相对于引出套下平面,即巷道顶板表面的位移量。试验结果如表1 和图8。 图8 相对位移随时间变化曲线试验结果分析:从表1 和图3 中的第31 天的测量和计算值我们可以得出以下三个关系式:l1 - l0 = 13 mm L (1)l2 - l1 = 17 mm L (3)L 30 mm由(13) 三个关系式可得出以下分析:测点1、2 和基点三处的岩层性状没有显著的差异,同时也说明锚杆起到一定的锚固作用,但是由(3) 式又可以看出锚杆的锚固段并没有锚固到坚硬的岩层上。同时(3) 式也说明了测点3 处的岩层性状远好于测点1、2 处的岩层性状,尤其是在测点1、2 两处的岩层在受到锚杆的组合作用之后其抵抗自重应力和水平应力的弯曲变形破坏的能力仍不及测点3 处的岩层。一方面说明测点1 和2 处的岩层性状本身很差在受到锚杆组合作用后仍较差;另一方面也说明测点3 处岩层性状较好。因此,根据判断对