B090312 煤矿锚杆支护巷道顶板稳定性的监测方法

郭相参1 张爱英2

[1.西安科技大学，陕西 西安 7100541;安康学院，陕西 安康 725000]

摘 要 本文以陕西某煤矿支护巷道为例，介绍顶板离层仪的结构、安装、监测原理、监测过程及实际应用情况。顶板离层仪的成功应用，实现了对支护巷道顶板稳定性的同步监测。通过对监测结果进行分析，检验锚喷支护参数的合理性，在发现顶板下沉达到临界值时，可以及时采取相应的工程措施并修改原支护参数，确保煤矿巷道安全与稳定，对巷道围岩支护参数的合理设计具有一定实际意义和工程价值。 关键词 煤矿 支护巷道 稳定性 离层临界值 监测与反馈

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1 引 言

普遍认为，巷道围岩失稳的过程是，巷道开挖破坏了围岩体原始的静态平衡，使得巷道围岩体内原始应力获得二次分布，如果二次应力达到或者超过围岩强度，巷道围岩将产生失稳破坏。为及时掌握支护巷道围岩动态信息，就需要对围岩稳定性进行监测，达到及时采取补救措施和调整支护参数的目的。支护巷道围岩稳定与否，直接关系到巷道围岩的支护效果和煤矿的安全生产，因此合理准确的巷道围岩稳定性监测方法，成为确定巷道围岩支护参数合理与否的关键。

巷道围岩稳定性监测需要借助于一定的指标参数，岩土工程中巷道围岩稳定与失稳破坏均会表现出一定量的变形。研究认为，通过巷道顶板的变形观测，可以方便地监测支护巷道顶板稳定性，进而检验支护参数的合理性。下面介绍利用顶板离层仪观测顶板的下沉位移，监测支护巷道顶板稳定性的方法。

2 顶板离层仪的工作原理

2.1 顶板离层仪

顶板离层仪是监测顶板围岩变形分离时所产生下沉位移的一种仪器，图1为LBY-Ⅲ型顶板离层仪，其由基点锚头、测绳、托盘、标尺四部分组成。本仪器结构简单，读数直观，

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使用方便，能为巷道支护设计，顶板变形安全监测提供可靠的参数。

图1 LBY-Ⅲ型顶板离层仪

2.2 顶板离层仪的工作原理

目前巷道顶板变形的监测方法主要有声波法、多点位移计法、地质雷达法、渗透法、地震波法和高密度电阻率法等。这些方法所用仪器组成复杂，使用操作繁琐且对使用的环境条件要求高。相对而言，顶板离层仪不仅操作方便，而且对环境条件几乎无特殊要求，能够较

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好地满足井下条件。

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为此，我们采用顶板离层仪来监测顶板下沉位移。该方法的基本原理是：通过测量安设在巷道顶板某断面不同顶板围岩深度处的下沉值(s)判定顶板下沉位移。图2为测量时离层仪的安装情况，在巷道顶板钻孔内不同深度处设置监测点，记为（1）、（2）、（3）、（4）。相应的标尺读数值表示巷道顶板表面相对于所测深度li (i=1，2，3，4)的下沉值(ri)。如果所测深度足够深，围岩稳定，没有下沉，则此时标尺读数值为顶板表面下沉绝对值(s0)。

(4)(3)(2)l3(1)l11234l2测绳l4 ⑴、⑵、⑶、⑷为锚固点； ①、②、③、④为标尺 图2 顶板离层示仪

根据岩石力学理论，不同深度处围岩的下沉量不等。因此，可在巷道顶板的监测位置钻孔，并在钻孔内不同深度处布置监测点(锚固点)，进行多次测量可得到顶板不同层位岩层的位移差, 进而判断出巷道顶板的稳定性和锚杆的支护效果。

当离层仪测点数较少，不能满足目的时，可以围绕测点布置多个近距离监测孔来达到目的。如果在巷道同断面不同宽度位置布置多个监测孔，则可探寻巷道顶板围岩的变形规律。

3 支护巷道围岩稳定监测应用实例

陕西某煤矿已支护的梯形断面巷道，巷道断面参数为：垂直高度为2.4m，上顶宽度为

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2.4m，下底宽度为2.6m，掘进断面为6.0m，净断面为4.9m。该巷道采用锚、喷、局部挂网支护方案，顶板采用直径18.0mm、长2.0m的普通树脂锚杆支护，排间距800×800（mm），配合金属网和钢筋托梁进行支护；巷帮采用直径18.0mm、长度1.8m的普通树脂锚杆支护，

间排距为800×800（mm），第一道锚杆距顶板300mm，锚杆采用端锚方式。 3.1 测点的布置

根据监测需要，在支护巷道某监测断面顶板中线处布置6个监测孔，每个监测孔内布置两个监测点。 3.2 仪器安装步骤

① 钻孔：用直径27.0～28.0 mm钻头在顶板钻孔，监测孔深应比预计最大监测点深50～100mm；

② 安设孔内固定器(监测点)：先安设最深监测点定位器，用安装杆把固定器缓缓送至设计位置，轻拉一下测绳确认固定器已锚住，送入过程中用手拉紧测绳；用同样方法装入其它监测点，直至完成；

③ 安装托盘：将托盘固定于孔口；

④ 连接标尺：自下而上依次将外标尺固定在测绳上并确保两个标尺移动顺畅，不受任何卡阻，截去多余的测绳，并做好对应的监测点标记；

⑤ 安装完毕后，记录指示仪编号、安装日期及位置、标尺初始读数。 3.3 测试过程

安装完毕后每天读取一次数据，直到读数不再有变化、基本稳定为止，这时的数据读数表示顶板的最大离层情况，监测点深度及监测数据如表1所示。

表1 巷道断面顶板中线监测点离层最大值

监测点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 锚固点深度li(m) 0.5 2.4 1.0 2.5 1.2 2.5 1.5 3.0 1.8 3.5 2.0 4.0 标尺读数ri(mm) 14.0 27.5 13.5 17.0 14.0 16.5 8.0 11.0 0.5 7.0 0.0 5.0 下沉值sn (mm) 13.5 3.5 2.5 3.0 6.5 5.0 注：sn=r2n-r2n-1，式中，n为监测孔编号。

3.4 数据分析应用

由表1可知，该矿在锚、喷、局部挂网支护巷道中，锚固范围之内的顶板围岩和锚固范围之外的顶板围岩均不同程度地发生了离层。锚杆锚固范围内（≤2.0m）的顶板围岩离层量变化在0.0～14.0mm之间，说明锚、喷、局部挂网支护效果好，能阻止顶板的离层。在锚、喷锚固范围以外，顶板离层量变化在5.0～27.5mm之间，锚杆锚固范围内外的离层量均远小于顶板离层的临界值(国外一般规定临界值为20.0mm，根据该矿实际情况暂定锚固范围内临界值为20.0mm；锚固范围外临界值为35.0mm)。而且顶板不同层位岩层的位移差变化在2.5～13.5mm之间。说明巷道顶板中没有出现较大的离层，稳定性好，锚杆支护效果好，因而锚杆支护的强度和间排距是安全合理的。

4 结束语

① 顶板离层仪结构简单，易于操作，应用成本低，而且能够较好地适用于井巷条件，利用顶板离层仪进行煤矿支护巷道围岩稳定性的监测是一种有前途的方法。

② 用顶板离层仪来进行煤矿支护巷道围岩稳定性的监测，有利于及时获得巷道围岩的变形情况，检验锚杆支护参数合理与否，一旦发现围岩变形超出临界值，就必须及时采取相应的工程措施，并修正原支护参数，保证煤矿安全生产和指导巷道支护设计与施工。

③ 巷道的围岩条件复杂多变，因而对相同围岩条件监测的数据进行分析研究，可以探寻顶板围岩的变形规律。 参考文献:

[1] 郭励生，张志国，李彦春，等. 顶板离层指示仪在煤巷中的应用[J].中国煤炭，1997， 23（12）：20-21.

[2] 石建军，马念杰，闫德忠，等. 巷道围岩松动圈测试技术及应用[J].煤炭工程，2008，（3）：32-34.

[3] 何满潮，袁和生，靖洪文，等. 中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.413-414.

[4] 薛顺勋，宋广太，库明欣. 煤巷锚杆支护施工指南[M].北京：煤炭工业出版社，1999.86-91.

第一作者简介 郭相参 男，1983年出生，河南驻马店人。现在西安科技大学硕士研究生就读，主要从事深埋高地应力隧道卸压支护技术研究。

（收稿日期：2008-03-04；责任编辑：黄 翔）