王村矿8107顶回巷支护结构可靠性研究

张超 盛杰 张斌

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院 北京 100089；2.山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司山西忻州 036700）

钻爆法是现今岩石巷道掘进施工中最常用的方法，我国有95%的岩石巷道都采用钻爆法施工［1-2］。随着国内外专家的努力，传统的钻爆法施工技术已经比较成熟［3］，但是，在煤矿的岩巷钻爆法掘进施工中，巷道的安全稳定依旧是要着重注意的问题。在井巷施工中，支护是保证巷道安全稳定的重要工序［4］。在巷道施工中的5 个主要工序“破、通、装、运、支”中，爆破是每一循环的先行工序，支护是每一循环的最后一个工序，下一循环的爆破对上一个循环的支护形成扰动，会对支护的效果造成一定的影响［5］。

同煤集团王村煤业有限责任公司的山4#层东盘区8107顶回风巷是一条专用的排瓦斯巷，当巷道贯通后，就不再进人，故而，在支护方案的选取上，支护强度不宜过大进而影响掘进速度，也不宜过小从而导致围岩受到矿压的作用失稳破坏，尤其在爆破扰动后产生顶板突然下沉的现象。为了验证同煤集团王村煤业有限责任公司8107顶回巷现有的支护方案是否可靠，利用YTJ20钻孔窥视仪及DLJ-3型顶板离层仪支护区顶板岩层支护结构进行监测，从而确定支护结构的稳定与安全性。

1 工程概况

8107顶回巷是8107工作面专用排瓦斯巷，设计长度为1930m（从辅运巷算起），巷道东高西低，坡度为1°～3°，平均坡度为2°，是下山巷道，服务年限为8107 工作面回采完毕，贯通后不再进人。巷道为矩形断面，规格为4.2m（宽）×2.5m（高）。顶板岩性特征：基本是顶厚度为13.2～13.6m的粉砂岩，直接顶是厚度为1.8m的粉砂岩。帮部片帮比较严重，但根据十字布点法检测得知，巷道帮部缩进位移为0。

2 支护方案

8107顶回巷采用Φ20mm、L=2000mm 的左旋无纵筋螺纹钢作为顶锚杆，锚杆托盘选用拱形托盘，配合球形垫规格为120mm×120mm×10mm；采用Φ17.8mm、L=6300mm 的钢绞线作为锚索，锚索托盘的规格为300mm×300mm×16mm，配以4000mm（长）×250mm（宽）×3mm（厚）的W型钢带与3.7m（长）×1.7m（宽）、网径为50mm×50mm的8号铁丝编织的菱形网进行支护。具体的支护方案如图1所示。

图1 8107顶回巷支护示意图

（1）锚杆。矩形布置，间排距为1000mm×1200mm，沿中心线对称布置，顶部布置4排。锚杆安装方向与岩面呈75°～90°角，钻孔深度2000mm，锚杆外露长度为螺母外1～3cm，锚杆间排距误差不超过±100mm。锚杆的抗拔力不小于100kN，锚杆预紧扭矩不小于200N·m，锚杆锚固长度不得低于900mm，每个锚杆孔放1 个MSK2330+1个MSZ2360树脂锚固剂。

（2）锚索。共一排锚索，巷道中间布置。锚索安装方向与岩面呈75°～90°角，间距为2.0m，锚索间距允许偏差为±100mm，锚索外露长度为锁具外150～250mm，预应力不小于100kN，锚固长度不得低于1500mm，每个锚索孔放2个MSK2360+1个MSZ2330树脂锚固剂。

3 钻孔窥视仪监测

3.1 钻孔窥视仪工作原理

钻孔窥视仪由探头、探杆、显示、控制、防爆电源组成。探头部分是由红外发光源、光路变换装置、图像传感器、防水及防尘与防爆等机械部分组成。孔壁物质的像由放入钻孔中的探头收集后，经光路变换进入图像传感器，再放大产生全电视信号，送入控制单元，将该信号处理后，显示在4in的液晶显示屏上。通过观测探杆的刻度，就可以知道图像的位置，以便精确地确定孔内情况。

3.2 实验仪器

本次试验采用的是YTJ20钻孔窥视仪。该仪器具有以下几个主要的特点。

（1）分辨率高。由数十万、数百万素构成的窥视系统相对于光纤窥视系统，其分辨率要高出数十倍至数百倍。

（2）抗干扰能力强。该仪器可以将探头所探测到的信号通过数据线直接传输到接收器上，故而减少了干扰。

（3）数据清晰直观。该仪器可将数字摄像转换成柱状图，实现了点、面、体多方位展现，测试图像的清晰度高，结果一目了然。

（4）体积小，质量轻，便于携带，操作简单方便。

（5）信号接收全面。该仪器接收的信号不会因为信号数据的传输受到消耗，信息通过直观、快速、准确、可靠的接收仪器与计算机连接，便于分析和处理图像。

3.3 实验结果与分析

在刚完成的支护区域内，钻6m 的孔深，在下一循环的爆破完成后，将窥视仪的探头慢速、匀速地深入，并操作主机进行数据的采集记录。通过观测图像，可以获得爆破后上一循环的支护区的顶板岩层的分层情况，以检测爆破扰动对支护效果的影响。从0.70m 左右开始，岩性开始发生变化，岩石的颜色由黑色变为灰白色，此时，岩性由泥质砂岩变为细砂岩，2.76m后变岩性改变为粗砂岩。在以上的观测范围内，没有薄弱层出现，亦没有发现离层的现象，爆破扰动下，该支护结构能够保证围岩稳定安全。

4 顶板离层仪监测

顶板离层仪是专用于监测顶板岩层移动的仪器，主要由4个部分组成，即基点锚固器、托盘、标尺、测试绳，具有监测数据采集简单直观、使用方便的优点［6］。顶板离层仪是目前监测巷道顶板离层失稳的最常用、最直观、最有效的方式［7］。顶板离层仪可以显示锚杆、锚索长度范围内，以及锚杆、锚索同范围外的顶板岩层的离层情况。顶板离层仪可以直观地为煤矿安全检测人提供顶板岩层的变化情况［8］，从而有效地防止顶板塌落事故的发生，确保巷道施工作业人员的安全。为了更直观地研究爆破扰动对支护结构的影响，在使用钻孔窥视仪观测顶板岩层变化的同时，利用顶板离层仪对顶板岩层的变化进行监测。

4.1 监测方案

选用DLJ-3 型顶板离层仪，安装位置在窥视仪钻孔同排左侧1200mm 处，用Φ28mm 的钻头钻孔。深基点深度设置与锚索长度相同，浅基点深度设置与锚杆长度相同，用锚索将深部基点锚固器推入孔中直至设计位置，抽出锚索后，手拉一下钢丝绳，确认锚固器已锚固牢固，然后再将浅基点锚固器推入孔中设计位置，抽出锚杆后，手拉一下钢丝绳，确认锚固器已锚固牢固。将套管组件（其下端为固定点）插入钻孔口，同时将钢丝绳从刻度尺端向外拉，确保两个刻度尺指示环移动顺畅，不受任何卡阻，并确认套管组件已固定在钻孔中。将浅部标尺初始读数设置为10mm，深部标尺初始读数设置为20mm，每次进尺后都对其进行读数，直至连续3次深部与浅部标尺都无位移产生为止。

4.2 监测结果与分析

表1所示为顶板离层仪监测的数据，从中可以看出，前6次进尺深部标尺均有位移产生，而此时工作面距离测点8.8m；前7次进尺浅部标尺均有位移产生，而此时工作面距离测点10.2m。在爆破扰动和矿压的共同作用下，顶板产生一定的下沉位移，但是位移量很小，最大不超过10mm，爆破扰动并未造成顶板突然下沉现象的产生。随着工作面与测点的距离增加，位移量逐渐减小直至没有位移产生，支护结构趋于稳定，累积总位移量最大为35.7mm，远远未达到离层的现象，顶板维持在安全的状态中。

表1 顶板离层监测数据表

5 结语

从钻孔窥视仪得到的图像中可以看出，在爆破扰动后，刚支护结束的支护区未产生顶板大面积塌落，顶板岩层未有薄弱层出现，也没有离层的现象产生，支护结构能够保证稳定与安全。根据顶板离层仪的监测数据进一步验证，爆破扰动下，未产生突然的顶板下沉量，顶板岩层产生随着工作面推进逐渐减小的下沉位移，且随着工作面的推进，影响逐渐减小直至几乎没有影响，累积的总位移量远远未达到离层现象，现有的支护结构能够保证围岩的稳定与安全。