B060305 孤岛工作面沿空顺槽的矿压监测.doc

孤岛工作面沿空顺槽的矿压监测
王元明
（徐州矿务集团有限公司韩桥煤矿，江苏 徐州 221011）
摘 要 介绍孤岛工作面沿空顺槽矿压监测方法、手段及取得的主要结论。
关键词 孤岛工作面 沿空掘进 矿压监测
韩桥煤矿潘家庵井主采石炭二迭纪下石盒子组1＃、3＃煤层，115工作面为孤岛工作面，其顺槽为“三软”沿空掘巷锚杆支护巷道。工作面走向长度600m，顺槽外段200 m用29#U型钢棚支护，里段400 m用锚杆支护。锚杆为直径20mm、长2200mm等强螺纹钢锚杆，树脂锚固。锚杆间排距为700×700（mm）。锚杆孔径为27mm。梯子梁采用直径16mm圆钢加工而成。顶、帮所有锚杆均穿过梯子梁，并以托板将梯子梁压紧在顶板上。锚杆托板采用外方鼓形碳素钢托板，边长150mm、厚10mm。锚索托板采用18#槽钢，长度400mm。
为了掌握孤岛工作面两顺槽围岩活动规律及沿空巷道锚杆支护围岩控制机理，为锚杆支护设计提供监测反馈信息，确保上、下两顺槽安全可靠，必须对巷道围岩稳定状况、锚杆受力状况等进行全面监测。
1 矿压监测
1.1 监测内容、目的及仪具
孤岛工作面“三软”沿空顺槽的矿压监测内容、方法及仪具见表1。
表1 两顺槽锚杆支护监测内容、目的及仪具
监测内容
监测目的
测试仪具
表面位移
监测巷道相对变形量从而判定稳定性
测枪
顶板离层
监测顶板稳定状况及时采取安全措施
离层指示仪
锚杆轴力
检测锚杆强度是否合适以调整密度
测力锚杆
锚杆托锚力
监测托板对围岩支护阻力，整体评价锚杆工作状况
锚杆液压枕
锚杆拉拔力
检测锚杆的锚固力
测力计
1.2 表面位移分析
工作面运输机巷共设置了3个表面位移观测点，分别位于第1、第2、第3观测站。其中第1观测站位于29#U型钢棚支护区域，设置目的是监测围岩的稳定状况、与锚杆支护区域进行对比，该站设了三个位移监测点。第2、第3两观测站位于锚杆支护区域。材料巷设了一个表面位移观测点，即第4观测站。掘进影响期间及掘后稳定期间巷道顶板、两帮位移量、位移速度见表2和图1、图2。

表2 115工作面上、下顺槽围岩变形

掘进影响时期
稳定时期
变形量
(mm)
最大变形速度
(mm/d)
影响
时间
(d)
变形量
(mm)
变形速度
(mm/d)
顶板
两帮
顶板
两帮
顶板
两帮
顶板
两帮
1#测站
1#
351
652

2#
272
636
27
43
47

3#
659
756

2#测站

365

37

3#测站
109
345
16
30
23
8
23
0.27
0.77
4#测站
105
212
10
23
18
7
13
0.23
0.43
从钢棚支护（1#测站）和（2#、3#、4#测站）锚杆支护两区域的表面位移观测结果可以看出，在掘进影响期孤岛工作面由于支承压力及煤层的松软变形，沿空巷道的围岩变形量总的来说两帮大于顶板。由于两帮的较大变形，导致顶板的位移量也较大。

图1 1#测站位移观测结果
钢棚支护区的两帮和顶板的位移量都较大，但总的看，两帮移近量大于顶板位移量。如1#和2#测点测出两帮移近量为600mm左右，顶板的位移量为200～300mm左右，前者是后者的2～3倍。只有3#测点测出两帮移近量和顶板位移量相差较小，分别为759mm和659mm。
锚网支护区如图2所示，3#测站两帮相对位移近量在320～360mm左右，是顶板位移量的3倍。2#测站位移测点设在两帮锚杆托板上。由于托扳破裂掉落没有继续观测下去。实际上在该测站附近由于两帮锚杆托板部分破裂失效，造成帮部的锚杆支护失效，引起两帮的较大变形，顶板位移量亦较大，导致3#测站附近出现了局部冒顶。随后改进了锚杆支护结构，采用废旧型钢加工的高材质托板。

图2 3#测站表面位移及位移速度
1.3 顶板离层观测分析
115工作面两巷2#测站～9#测站共设了8个离层仪，各测站的观测结果如表3所列。

表3 115工作面上、下顺槽顶板离层
观测站
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
9#
锚固范围内(mm)
90
12
20
19
4
70
40
12
锚固范围外(mm)
120
37
27

20

80
37

图3 2＃测站离层观测结果
2#测站锚固范围内、外离层量均较大。锚固范围内离层量为90mm，锚固范围外离层量为120mm。因在2#测站位置出现了局部冒顶，因此2#测站的离层观测结果可以作为该类围岩条件下锚杆支护沿空巷道离层量的临界值。
由上述结果可以看出，孤岛工作面沿空巷道锚杆支护与普通条件下锚杆支护相比，其离层量临界值要大，与2#测站相比，其他各站顶板离层量均比临界值小，说明现有的锚杆支护是安全的。由锚固范围内外离层量的对比结果可以看出，锚固范围外的离层量普遍大于锚固范围内的离层量，说明现有锚杆支护设计合理，锚索的作用还可以适当加强。

图4 材料巷9＃测站离层观测结果
1.4 液压枕观测结果分析
运输机巷共设了三个锚杆液压枕观测站，分别位于1#、3#、8#测站。材料巷设了一个锚杆液压枕观测站，位于9#观测站。1#测站的观测结果见图5。

图5 1#测站液压枕观测结果
各测站锚杆液压枕观测结果基本上反应了锚杆托锚力的实际情况，即反应了锚杆托板对围岩的支护阻力。总的来看，多数锚杆的托锚力只维持在一个较低的水平。这一结果表明锚杆初期的预紧力偏小，导致锚杆工作过程中，随着围岩的变形锚杆托板对围岩支护阻力增加幅度较小，增阻速度较慢。
1#测站锚杆液压枕共4块。有3块液压枕的压力保持在1～2MPa左右，其中1块随着围岩的变形压力趋于0，表明这根锚杆对围岩的支护作用较小。只有4#液压枕的工作特性曲线比较正常，反应了锚杆支护应达到的理想工作状态，即初撑力较大、增阻速度较快，随着围岩的变形，锚杆托板对围岩的支护阻力虽有所降低，但仍维持在一个较高的水平。
1.5 测力锚杆受力分析
为了监测锚杆工作过程中的受力状况，3#测站1个断面上在顶板安装了6根测力锚杆。测力锚杆采用与本巷道内其它锚杆相同材料。其原理是通过测量测力锚杆应变量变化，根据测力锚杆的标定曲线确定锚杆各段的受力大小。其中选取有代表性的三根测力锚杆，其受力状况见图6、图7及图8。

图6 顶板2#测力锚杆轴力分布

图7 顶板3#测力锚杆轴力分布

图8 顶板5#测力锚杆轴力分布
受锚索作用影响的区域内杆受力与普通锚杆不同，如图6所示。锚杆初期受压，随着锚固范围内岩层的离层，锚杆杆体由受压转为受拉，而且锚索的预紧力较大，初期主要表现为锚索的作用，随着锚固范围内外岩层的离层，锚杆受力逐渐增大，表现为锚杆形成的锚岩支护体与锚索共同作用的特征。
顶板3#测力锚杆沿锚杆杆体的轴力分布不均匀，呈现锚固段轴力小、锚杆外部轴力大的特点。这表明同时使用的钢筋梯子梁或W钢带的护表效果较好，发挥了锚杆支护结构对围岩的较好支护作用。
3#测力锚杆最大轴力为85kN，小于φ18mm螺纹钢锚杆的屈服载荷86 kN。2#测力锚杆和5#测力锚杆最大轴力都大于锚杆杆体的屈服载荷，此处杆体已经屈服，但小于杆体的破断载荷130 kN，且锚杆杆体屈服段所占长度比例小于1/3。其它测力锚杆的测试结果大体上一样。这说明该种条件下，锚杆支护是安全的。但考虑到孤岛工作面沿空巷道还将受到工作面的采动影响，因此顶板锚杆支护还应适当加强，如增加锚索、适当加大锚杆的杆体直径和长度。
1.6 锚杆拉拔力分析
为了确保锚杆支护质量，必需进行锚杆支护拉拔力试验。通过拉力计对每300根锚杆的测试不少于一组，每组不少于三根。顶板锚杆拉拔力小于60kN，帮锚杆拉拔力不小于40 kN，见表4。从两条顺槽试验结果来看，锚杆支护拉拔力能符合技术要求，满足了现场需要。
表4 两巷锚杆拉拔力统计 （单位：kN）
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
运输巷
79
84
82
85
84
83
84
84
82
84
86
84
86
79
82
85
材料巷
81
82
83
86
78
85
85
86
84
75
78
79
85
78
83
82
帮
44
48
39
48
46
44
48
48
44
43
46
48
48
47
45
38
2 结 论
由115工作面两顺槽的矿压监测资料可以看出，孤岛工作面沿空顺槽采用锚杆支护后，支护区域的顶板和两帮的位移量比U型钢棚支护区域的小得多。除2#测站外，顶板锚固范围内、外顶板离层量均不大，说明锚杆支护的整体效果较好。锚杆支护不会影响巷道的安全使用。但帮位移量偏大，这与孤岛工作面沿空巷道围岩的位移规律是一致的。因此应进一步加强帮尤其是实体煤侧帮的支护。
从整个巷道的稳定来看，两帮形成的锚岩支护体是顶板锚岩支护体的基座。两帮锚岩支护体的稳定可以促成顶板锚岩支护体形成可靠的锚固平衡梁结构，再通过锚索加强支护增强结构的稳定性。高强度锚索施加一定预紧力，将顶板自身压力及支护压力传递到顶板深部稳定岩层内。在锚索的压应力作用下，其锚固范围内的岩层受到压缩，使得松散岩层和弱面在其弹性压缩下形成承载梁。锚杆支护已将顶板岩层锚固形成一个挤压加固梁，在此基础上加设锚索后相应加大了梁的厚度，而且起到了将下位挤压梁固定到深部稳定岩层中的悬吊作用，从而有效地控制了围岩变形，提高了巷道围岩的稳定性。

作者简介 王元明 男，1962年生，现任徐州矿务集团公司韩桥煤矿副矿长、总工程师，高级工程师、注册安全工程师。

（收稿日期：2005-09-09；责任编辑：胡 林）