长距离锚杆索支护煤巷在线围岩观测系统的应用

张倍源，同晓军，张佳龙

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

锚杆(索)支护巷道受原岩应力和采动压力影响，经常出现顶板离层、下沉现象，严重的造成杆(索)体断裂，托盘脱落，支护失效从而引发顶板冒落事故，严重影响矿井安全生产，因此锚杆(索)支护巷道矿压观测工作在煤矿安全生产过程中尤为重要。《煤矿安全规程》规定，锚网支护煤巷、半煤岩巷必须进行顶板离层观测[1]。《煤矿巷道锚杆支护技术规范》规定，锚杆支护巷道要定期进行矿压观测，煤巷距掘进工作面迎头50 m内，矿压观测频次每天不少于一次，50 m以外，观测频次可为每周一次[2]。传统的观测方法一般都是人工观测，及时记录相关数据，依据观测数据分析巷道压力显现情况，根据监测评估安全风险，以便做好相关安全措施，防止安全事故[3-15]。但人工观测误差较大、效率较低，对于长距离巷道需要消耗大量人力、物力且效果不佳。黄陵矿业公司二号煤矿418工作面胶带巷掘进工作面采用在线围岩观测系统进行矿压观测，准确分析记录顶板离层和锚杆(索)受力等数据，为巷道顶板管理提供可靠依据。

1 工程概况

陕西黄陵二号煤矿418工作面胶带巷位于井下四盘区右翼，设计长度为2 467 m。巷道沿煤层顶板掘进。掘进煤层为2号煤层，属侏罗系中统延安组，煤层呈黑色，弱沥青光泽，半暗-半亮型，条带状结构，层状构造，内生裂隙发育，煤层厚度2.2～3.7 m，煤层含1～3层夹矸。煤层老顶为粉砂岩，厚度6.0～12.4 m，深灰色，薄层状，微斜层理，层理面见大量云母片及植物残屑化石。直接顶为细粒砂岩，厚度3.5～6.0 m，灰色-深灰色，脉状层理，层理面见大量黄铁矿薄膜，岩石成分以石英为主，长石次之。418胶带巷掘进范围内根据三维地震勘探结果显示，该区域内无较大断层存在，但在掘进过程中可能揭露小型断裂构造。

2 矿压观测的意义和目标

2.1 矿压观测意义

煤矿开采不同区域不同掘进和采煤工作面都有很多不确定矿压显现。地层地质具有难以确定性和突变性，黄陵二号煤矿曾发生过锚杆支护巷道因顶板离层仪失效，矿压观测不到位，局部巷道顶板在无明显征兆情况下，顶板离层造成顶板突然冒落，压坏皮带架，造成矿井停产3天的二级非伤亡事故，直接经济损失达2 000余万元，因此，为及时监测到顶板离层预警值、支护失效等重大风险和隐患，需要对锚杆支护巷道工程进行矿压观测，根据观测结果评估安全风险，以便采取相关安全措施，防止安全事故。

2.2 矿压观测目标

完整的现场监测、观测资料可以为巷道支护的成功实施提供基础数据并使得设计得以优化，是巷道支护工程得以巩固和发展的重要保证。

掌握巷道围岩动态规律性，为巷道支护日常动态化管理提供科学依据；为检验支护结构、设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数和合理确定二次支护时间提供科学依据；监控巷道支护的施工质量，对支护状况进行跟踪反馈和预测，及时发现工程隐患，以保证施工安全和软岩巷道稳定；为其他类似工程的设计与施工提供全面的参考依据；通过监测资料，可作为判断冲击可能性和预防措施。

3 418工作面胶带巷矿压观测实施方案

3.1 418工作面胶带巷围岩矿压观测方案的选择

锚杆支护巷道通常进行顶底板及两帮移近量观测和安装顶板离层仪深、浅基点离层量观测。顶底板及两帮移近量观测时至少2人协作，当巷道内存在皮带机等运输设施时，观测很不方便，观测误差大、效率较低。当巷道高度较高时，顶板离层仪观测需要登高作业，影响人身安全。现场完成一处矿压观测站观测时间约10 min。

418工作面胶带巷设计长度2 467 m，掘进期间至少每隔50 m就需设置一处矿压观测站，巷道施工完成后，巷道内至少需要设置50处矿压观测站，如果采用人工观测的方法，50处观测站一次观测完成至少需要8 h以上，加之上、下井路途时间达10 h以上，观测任务和劳动强度过大。为此，矿井采用在线观测的方式对巷道围岩进行观测。

3.2 巷道表面收敛监测

通过巷道表面位移观测数据可较好地判定巷道围岩的运动情况，分析围岩是否进入稳定状态。巷道表面位移监测包括底鼓、两帮相对移近、顶板下沉等内容。主要是通过在巷道内布置测点，观测各个测点之间距离的变化确定。

监测目的：通过巷道收敛量预测巷道围岩稳定性；测试巷道顶底和巷帮中点的位移规律；测试巷道顶底板和巷帮不同的收敛规律；分析监测数据评价巷道稳定性。

测点的布置：采用十字布点法，测点布置如图1所示。

图1 测点布置Fig.1 Measuring point layout

测点的安装与测量：在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻孔径φ28 mm、深380 mm的孔，将φ28 mm、长400 mm的木桩打入孔中。顶板和上帮木桩端部安设弯形测钉，底板和下帮木桩端部安设弯形测钉。

观测方法：使用HT-JS30A-10型巷道收敛监测仪进行观测，直接读取相关数据，填入表1。

表1 巷道表面收敛记录Table 1 Roadway surface convergence record

3.3 巷道顶板离层及深部位移监测

通过多点位移计可以判断巷道围岩内部的变形及破坏情况，测试巷道顶板表面和锚杆端部的位移变化，反映顶板的离层状况，通过巷道围岩内部的变化预测巷道围岩稳定性。测点布置如图2所示。

图2 深部位移测点布置Fig.2 Layout of deep displacement measuring points

仪器的安装与测量。对巷道顶板离层监测采用的是深部两点位移计，用钻机在巷道顶板和帮部相应的位置打上φ28 mm，10 m深的钻孔。孔钻好之后用锚索将离层仪的固定倒刺送入，到位之后固定离层仪，将离层仪上的测线拉紧固定。监测仪器为矿用本安型位移传感器如图3所示。

图3 顶板位移传感器Fig.3 Roof displacement sensor

3.4 围岩变形能监测

通过仪器监测锚杆的受力情况和深部锚固的锚索载荷情况，可以了解围岩一定范围能量变化。监测一定深度围岩的变形能量积累，可以评估一定范围区域矿压特征，也可以通过多点能量规律推演区域矿压演化。

3.4.1 仪器的安装与测量

锚索荷载传感器由一个有中心孔的托盘式密闭充油压力盒和与之相连的显示装置组成。安装时，把压力盒套在锚索垫板(托盘)和外锚固端的螺母之间，即可以检测锚索工作时轴向力变化情况。使用时要首先对锚索施加预应力，记下压力盒指示的压力值，此后定时读取压力值，获取锚索压力与时间变化的关系。荷载传感器安装方法如图4所示。记录初始值以后，实时在线观测。

图4 围岩变形能测点布置Fig.4 Layout of surrounding rock deformation energy measuring points

3.4.2 监测仪器

矿用本安型电脑记忆锚杆(索)受力监测记录仪，如图5所示。

图5 锚杆(索)受力监测记录仪Fig.5 Anchor bolt(cable) force monitoring recorder

4 结论

(1)使用在线围岩观测系统后，巷道表面收敛量、巷道顶板离层及深部位移量、锚杆(索)受力等数据可实现实时在线观测，数据观测的准确性和及时性大大提高，在人为设定预警值后，还可实现自动报警功能。

(2)使用在线围岩观测系统后，仅需随着巷道掘进长度的增加而增设在线矿压观测站，由以往的至少2人配合观测，减少为1人观测，相比人工现场观测，劳动强度大为降低。

(3)如在线围岩观测系统监测到顶板离层仪安装后10 d内顶板下沉量≥50 mm、下沉速度≥50 mm/d或安装后50 d内顶板下沉量≥100 mm、下沉速度≥2 mm/d时，矿井及时采取加强巷道支护措施，补打锚杆、锚索或加密、加长锚索等措施，避免因顶板离层加剧而引起锚杆、锚索拉断，造成顶板突然冒落事故的发生。