自编锚杆支护质量检测与矿压检测技术.doc

锚杆支护质量检测与矿压检测技术锚杆支护属于隐蔽性工程，支护设计不合理施工质量不好，将导致顶板跨落，出现安全事故。矿压检测主要包括：1、 巷道表面位移2、 顶板离层仪3、 锚杆（索）测力计4、 煤岩体应力检测第一节 巷道表面位移监测巷道表面位移是最基本的巷道矿压监测内容，包括顶底板移近量、两帮移近量、顶板下沉量、底鼓量及帮位移量等。根据监测结果，可计算巷道表面位移速度，巷道断面收敛率，绘制位移量、位移速度与采掘工作面位置与时间的关系曲线，分析巷道围岩变形规律，评价围岩的稳定性和巷道支护效果。1 巷道表面位移监测方法巷道表面位移常采用十字布点法安设监测断面（图7.10）。在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻孔，安装木桩、测钉等测量基点。一个测站一般布置两个监测断面，沿巷道轴向间隔0.6-1.0m。监测时测读AO、AB值，CO、CD值。也可测量AC、AD、CB值，通过计算得到顶板下沉量、底臌量及帮位移量。同时，测量监测断面距采掘工作面的距离，记录监测时间。测量频度根据巷道围岩变形大小确定，一般距采掘工作面50m内，每天观测1次，其它时间每周观测1-2次。2 巷道表面位移监测仪器ABCDO测量巷道表面位移的仪器有多种形式，如钢卷尺、测杆、测枪、收敛计等。选择测量仪器时应根据巷道断面尺寸、预测的围岩位移量及要求的测量精度等因素确定。上述几种仪器结构简单、测量方便，能够满足一般测量精度的要求。下面对测枪和收敛计的结构与使用方法作一介绍。第二节 巷道顶板离层监测巷道开挖后，围岩产生变形，顶板出现下沉。顶板不同深度的位移是不相同的，一般浅部岩层的位移较大，深部岩层的位移较小，导致浅部岩层与深部岩层出现位移差。位移差由煤岩体的弹塑性变形、结构面（层理、节理、裂隙等）变形等组成。在结构面比较发育的条件下，结构面变形占主要部分，而且是影响顶板稳定性的主要因素，因此，顶板的这种位移差又称顶板离层。测量锚杆支护巷道锚固区内外顶板离层大小，对评价锚杆支护效果和巷道安全程度具有重要意义。顶板离层指示仪是测量锚固区内外顶板离层值的仪器。顶板离层指示仪在顶板钻孔中布置两个测点：一个设置在锚杆端部位置，另一个设置在比较稳定的深部围岩中。在两个测点处安设固定器，固定器与顶板岩层同步移动。将固定器用测量钢丝与设在顶板表面的测读装置连接，就能测出锚固区内、锚固区外和总的离层值。井下安装方法为了全面、准确地反映顶板位移情况，顶板离层指示仪应紧跟掘进工作面安装。安装步骤如下（图7.14）： 先安设深基点固定器。将测绳由空心安装杆内穿过，用安装杆把固定器送至设计位置，送入时，用手拉紧测绳。 将另一测绳穿过安装杆，用手拉紧测绳，将浅部固定器送至设计位置。 将两根测绳穿过外测筒，按图示连接外测筒，注意将标尺0点少许(5mm左右)露在顶板外。 连接内测筒，将内测筒标尺0点与外测筒下端面对齐。 安装套筒，应使外测筒标尺0点对准套筒底边。 记录初读数，安装完毕。图7.14 LBY型顶板离层指示仪安装示意图1.4 井下观测方法在受掘进与回采工作面采动影响范围内，应观测顶板离层值，而且观测频度要密。在采动影响范围外，除非顶板离层值仍有明显增长的趋势，一般可停止测读具体数据，改为观察两个刻度坠的颜色。离层指示仪以红、黄、绿三种颜色表示顶板离层的严重程度。绿色表示顶部离层值较小，处于稳定状态；黄色表示离层已达到警界值；红色则表示顶板离层值较大，进入危险状态第三节 锚杆与锚索受力监测锚杆与锚索受力监测是巷道矿压监测的重要内容。通过监测支护体受力大小与分布，可比较全面地了解锚杆与锚索工作状况，判断锚杆是否发生屈服和破断，评价巷道围岩的稳定性与安全性，锚杆支护设计是否合理。根据监测数据提出对支护设计修改的建议。国内外已有多种锚杆与锚索受力监测仪器，按工作原理分，有液压式、钢弦式及电阻应变式等；按用途分，有安装在孔口、用于测量锚杆（索）尾部载荷的锚杆（索）测力计；有用于测量全长与加长锚固锚杆受力分布的测力锚杆等。1 锚杆（索）测力计1.1 液压式锚杆（索）测力计液压式锚杆（索）测力计通过测量液压枕油压确定锚杆（索）尾部承受的载荷。如图7.21是北京开采研究所研制的YZS-200型锚杆测力计。该仪器由带圆孔的液压枕与油压读数表组成。仪器的工作原理非常简单。将液压枕置于锚杆托板下方，锚杆受力挤压托板，托板将压力传递到液压枕上，引起液压枕内油压增加，油压表读出压力值。经过简单换算，即可得到锚杆尾部承受的拉力。图7.21 YZS-200型锚杆测力计电阻应变式锚杆（索）测力计电阻应变式锚杆（索）测力计采用电阻应变测量的工作原理。电阻应变片做为敏感元件，与锚杆（索）测力计刚性体粘贴在一起，同步变形。通过测量应变片的电阻变化即可测出刚性体的应变值。根据刚性体的应变值，换算出锚杆（索）的载荷值。基于上述原理，北京开采研究所开发了GYS-300型锚杆（索）测力计。(1) 仪器结构测力计安装于锚杆（索）尾部，其基本结构如图7.25。主要由刚体、静态电阻应变仪、球形垫片、连接导线等组成。锚杆（索）测力计实物如图7.26。图7.25 GYS-300型锚杆（索）测力计安装示意图1-刚体；2-球形垫片；3-应变仪；4-托板；5-锚具；6-钻孔；7-锚索索体图7.26 GYS-300型锚杆（索）测力计(2) 技术特征量 程：300kN外形尺寸：1004050mm；中心孔直径：23mm精 度：优于1%。(3) 刚体制作刚体为一长方体，中部开一钻孔，以便杆（索）体穿过。底部为一凹槽，以便刚体受压后变形。为了使测力计受力均衡，钻孔孔口加工成球面形，与球形垫片配合使用。为了埋植电阻应变片和引线，在刚体两侧对称开4个园孔，每侧的2个园孔间开槽连接。每个园孔中安设1片应变片，用埋植在槽中的导线连接于刚体端布的插头上。为保护插头，设置了保护盖。(4) 接收仪表接收仪表为YJK4500本质安全型静态电阻应变仪。(5) 测力计井下安装与测量测力计安装前需在安设点测量初读数。锚杆（索）体安装完毕后，上组合构件、托板，将测力计套入（凹槽一面向里）。调整测力计的位置及球形垫片，使测力计受力均衡。安装螺母（锚具），施加预紧力，测力计安装完毕。每次测量时先将保护接头内的防护盖旋下，接上导线，另一端与应变仪接通。打开应变仪，将多通道开关置于“1”的位置。预热3min后开始测量，记录测量数据。测量频度与测力锚杆相同。(6) 数据处理方法每次所测数据与初读数之差为该点此次测量的应变增量。应变增量乘以换算系数，即为该点此次测量的载荷值。2 测力锚杆锚杆（索）测力计只能测量锚杆（索）尾部的载荷，适用于端部锚固锚杆。对于加长锚固与全长锚固锚杆，沿杆体长度方向受力有很大差别，仅仅测量锚杆尾部受力状况并不能反映锚杆的整体应力状态。为了解加长锚固与全长锚固锚杆杆体不同部位的受力大小与分布，国内外开发研制了多种形式的测量仪器。下面以煤炭科学研究总院北京开采研究所研制的CM-200型测力锚杆为例进行介绍。2.1 测量原理测力锚杆按照电阻应变测量的工作原理制成。采用电阻应变片做为敏感元件，电阻应变片与测力锚杆的杆体粘贴在一起，同步变形。通过测量应变片的电阻变化即可测出杆体的应变值。基于杆体应变值，换算出杆体的应力值。2.2 仪器结构CM-200型测力锚杆主要由杆体、保护接头、静态电阻应变仪、多通道转换开关、连接导线等几部分组成。为了使用方便，将静态电阻应变仪与多通道转换开关合为一体，测力锚杆的实物如图7.27。井下使用时，在需要测量的位置将普通锚杆换成测力锚杆，安装与测量如图7.28。图7.27 CM-200型测力锚杆图7.28 CM-200型测力锚杆安装和测量示意图1-测力锚杆；2-普通锚杆；3-静态电阻应变仪；4-多通道转换开关；5-安装搅拌接头2.3 杆体制作(1) 杆体准备：杆体材料采用井下巷道中使用的锚杆杆体。为埋植电阻应变片和引线，在杆体全长对称开两个槽，开槽后的断面如图7.29。图7.29 测力锚杆杆体断面图(2) 贴应变片：首先要选择性能优良的应变片和粘接剂，同时，采用科学的贴片工艺，以使应变片与杆体同步变形。应变片贴好后，应对应变片的外观质量、电阻值、绝缘电阻等进行认真检查和测试，以确保贴片质量。(3) 应变片保护及防潮处理：安装测力锚杆时，要在钻孔内快速旋转以搅拌树脂药卷。为不使应变片和连接导线在安装时遭受破坏，将应变片和导线覆盖，覆盖层应有一定的强度和韧性。同时，由于井下潮湿，也需要用防潮密封应变片。为达到上述两个目的，采用复合型覆盖层。在全部应变片质量检查合格后，沿槽浇灌第一层覆盖层；待其凝固后，再浇灌第二层覆盖层，表面与切槽上口相平。第一覆盖层材料弹性模量小、绝缘性能好、化学性能稳定、防潮密封性好；第二覆盖层也有很好的绝缘性和防潮性，又有很好的粘结强度和机械强度。2.4 接收仪表与多通道信号接收仪接收仪表选用特别适宜煤矿井下应用的YJK4500本质安全型静态电阻应变仪，该仪器具备量程宽、分辨率高、精度高、密封好、携带方便等特点。每根测力锚杆上安设12片应变片，为此，专门研制了多通道信号接收仪。其功能与平衡箱相似，但它取消了插孔或接线柱，代之以快速安装接头，安装方便，接触电阻稳定。将接收仪表与多通道信号接收仪合为一体，体积小，重量轻，便于井下使用。2.5 保护接头及安装器测力锚杆端头有十几根导线引出，无法采用普通安装器安装测力锚杆。此外，引线接头也需要特别保护，以防潮、防碰撞和人为破坏。为此，专门设计了保护接头和安装器，如图7.30。2.6 测力锚杆井下安装(1) 安装位置：测力锚杆应尽可能靠近掘进工作面安装，但必须保证不被掘进机切割头破坏。炮采工作面要采取措施避免崩坏。一般距掘进工作面至少大于0.5m，给掘进机留出足够空间，以免下一循环掘进时测力锚杆受到损害（图7.31）。安装多个测力锚杆，从左至右编号。(2) 安装方向：安装测力锚杆要保证杆体上的应变片面向两帮（图7.32）。安装时，要在搅拌接头上做好标记，以便在搅拌时可以得到正确的安装方向。(3) 测初读数：测力锚杆安装前必须测定初读数。可在安装点附近进行。测量时应将测力锚杆平置，不受外力作用。2.7 测力锚杆测量方法与时间图7.30 保护接头与安装器装配图1-保护接头；2-安装器；3-锚杆杆尾；4-螺钉；5-插座每次测量时，先将保护接头内的防尘盖旋下，接上连接导线，导线的另一端与多通道转换开关连接。确信一切正常，开始测量。将多通道转换开关上的转换开关置于“1”的位置，读取应变值。转动开关，依次到“2”至“12”位置。图7.31 测力锚杆安装位置 图7.32 测力锚杆安装方向锚杆安装前测量初读数，安装结束后马上进行第一次测读。距掘进工作面5m范围内至少观测2至3次。以后至少每掘进10m观测一次，直到数据趋向稳定。巷道变形相对稳定阶段，每月测1至2次。进入回采阶段，应根据采动影响程度，增加观测次数。2.8 数据处理方法(1) 计算各测点应力：每次所测数据与初读数之差为该点此次测量的应变增量。应变增量乘以系数L，即为该点此次测量的应力值。应力值为正，表示拉力；应力值为负，表示压力。各应变片对应编号如图7.33。系数L与许多因素（诸如杆体材料、杆体断面、应变片特性等）有关，需经实验室标定。(2) 计算平均应力：将图7.33中1、3、5、7、9、11号应变片的应力值与2、4、6、8、10、12号应变片的应力值对应相加取平均值，即可得出各测段的平均应力值。由此可以分析锚杆各段轴向载荷。(3) 计算应力差：将图7.33中1、3、5、7、9、11号应变片的应力值与2、4、6、8、10、12号应变片的应力值对应相减，即可得出各测段的应力差。第四节 煤柱应力监测对于受采动影响的采准巷道，随着与采掘工作面空间和时间关系的不同，煤岩体内的应力发生变化。现场监测煤岩体内应力变化，对全面了解采掘工作面对巷道、煤体和煤柱的采动影响范围与程度，掌握煤柱应力分布特点，进行煤柱优化设计，以及分析巷道围岩变形与破坏特征，评价巷道的稳定性和安全性具有重要意义。钻孔应力计是常用的测量煤体与煤柱应力变化的仪器。1 钻孔应力计测量原理与结构钻孔应力计一般采用充液膨胀的钻孔应力枕结构形式。钻孔内应力的变化通过应力枕两边的包裹体传递到应力枕，转变为应力枕内的液体压力，该压力经油管传递到压力表，压力表针指示出孔内的应力变化。钻孔应力计的结构如图7.34。应力枕内的油压也可转换图7.34 钻孔应力计结构示意图1-包裹体；2-钻孔应力枕；3-安装插头；4-四通；5-注油嘴；6-密封栓；7-压力表；8-油管成钢弦的振动频率，通过测量钢弦振动频率确定应力。如北京开采研究所研制的KSE-1型钻孔应力计，可用如前所述的KSE-型钢弦测力仪测量应力，也可采用KSE-钢弦测力仪自动测量煤岩体应力。以ZYJ-25型钻孔应力计为例，其主要技术参数为：量程：020MPa；允许过载：20%F.S；钻孔应力枕组件厚度：38mm；钻孔应力枕组件最大径向尺寸：42mm；钻孔应力枕组件有效工作长度：220mm；使用钻孔直径：f45f50mm。2 井下安装与测量根据需要确定煤岩体应力监测地点和测站布置。如图7.35是典型的煤体和煤柱应力测站布置。每个测站安装5个钻孔应力计，钻孔的长度分别为2、5、8、11、15m，钻孔间距为1m。图7.35 煤柱应力测量钻孔布置图(1) 钻孔首先按照应力枕组件是所要求的直径钻孔。钻孔直径若过大则仪器不能与煤岩体充分接触，影响观测效果；钻孔直径若过小则不能安装钻孔应力计。孔深应满足监测设计的要求。钻孔时，应尽量钻直，避免蛇形孔，便于安装。钻完孔后应清除孔内碎渣。(2) 安装应力枕组件应力枕组件是应力枕与其两面的包裹体的组合体。把最前一节安装杆的插孔插入应力枕下面包裹体的安装插头（图7.34），用安装杆将应力枕组件连同油管送入孔内。安装杆采用螺钉方式连接加长，应力枕的安装方向和深度由安装杆上的标志和节数标出。当安装方向和深度达到设计要求时，保持安装杆和油管的位置不动，直至施加设定压力结束。(3) 施加初始压力由手动泵向应力枕注油，连接如图7.36。首先把注油管4的快速接头插入手动泵7的弯头5内，插入U型卡6。按动手动泵，直至将手动泵和注油管内的空气排出并溢出油液为止。将注油管螺母拧紧到注油嘴3上，松开密封螺栓11，便可通过油管向孔内的应力枕注油。注油过程中，要慢慢按动手动泵，直到应力枕膨胀，应力枕和包裹体被挤压在钻孔中，并且压力表上的数值稳定在设定的初始压力值，保持几分钟，将密封栓拧紧。然后手动油泵卸压，观察压力表读数是否基本稳定。如果发现压力明显下降，说明设定压力稳定的时间不充分，或密封栓拧紧程度不够，需要松开密封栓重新打压，重复第一次预压操作过程。设定压力确实稳定后，方可卸下手动泵和注油管。注油结束后，拔出安装杆。图7.36 手动泵向应力枕注油连接示意图1-应力计压力表；2-四通；3-注油嘴；