矿压监测技术在巷道支护设计中的应用.pdf

第 5 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 5 2020 年 5 月 Shanxi Coking Coal Science 巷道支护;矿压规律 中图分类号TD326 文献标识码B 文章编号1672-0652202005-0042-04 目前,三交河煤矿主采 11煤层,因局部段顶板 锚杆无法锚入稳定岩层,为确保顶板强度,11煤层掘 进工作面采取“全锚索” 支护方式进行支护。 根据 11煤层已掘巷道可知,在掘进期间顶板出现破碎、随 掘随落等现象,支护环境不佳造成矿压规律掌握不准 确,同时施工进度缓慢、成本较高。 故选取 11-1041巷掘进工作面为对象,通过矿压 监测分析,优化支护设计,由原顶板“全锚索”支护变 为“锚杆锚索”联合支护形式,使 11煤层回采巷道 支护设计更加科学合理、安全可靠,同时降低支护成 本,提高施工效率。 1 11-1041巷基本情况 1. 1 巷道布置情况 11-1041巷设计长度为 2 717. 6 m,巷道沿 11煤 层顶板掘进,煤层顶板岩性从下往上依次为矸石 / 泥 岩 / 10 下煤 / 泥岩 / 中砂岩 / 泥岩 / 10 上煤 / 泥岩 / 9 煤 / K 2 灰岩,属于典型的煤岩互层复合顶板。 工作面井下位 于850 mm 水平,地面标高1 094 1 208 m,井下 标高 850 900 m, 其 东 侧、 西 侧、 北 侧 均 为 实 体煤。 1. 2 工作面支护形式 巷道断面为宽 4. 5 m高 3. 2 m,顶板支护采用锚 网、锚索、钢带联合支护方式,顶锚索采用长短锚索联 合支护,“一四”为 17/ d21. 6 mm5. 2 m 的短锚 索,“二三”为 17/ d21. 6 mm7. 2 m 的长锚索,间 排距 1 200 mm1 000 mm. 帮部采用锚网梁支护方 式,帮锚杆选用 BHRB-335/ d20 mm2 m 的高强锚 杆,“三三”布置,间排距 1 200 mm1 000 mm. 全 锚索巷道断面支护图见图 1. 图 1 全锚索巷道断面支护图 通过现场监测,在巷道顶板全锚索支护条件下,巷 道围岩整体较稳定,支护形式能够满足巷道支护强度 要求,但在掘进期间,顶板完整性较差,局部出现顶板 破碎现象,需采取措施改善围岩完整性及承载能力。 2 支护优化 2. 1 支护设计 根据现场巷道围岩情况及工程类比法,确定巷道 支护方式,即顶板采用锚网、锚杆、锚索、钢带联合支 护方式,顶锚杆选用 d20 mm2. 5 m 的高强锚杆,“六 六”布置,间排距 800 mm800 mm,顶板肩角锚杆 距帮 250 mm;顶锚索选用 d21. 6 mm7. 2 m 的钢绞 线,“二二”布置,间排距 1 800 mm2 400 mm,锚索 施工在两排顶锚杆正中,顶板肩角锚索距帮 1 350 mm;帮锚杆选用 d20 mm2. 0 m 的高强锚杆,“三 三”布置,间排距 1 200 mm1 200 mm,第一根帮锚距 顶板 300 mm. 锚杆 / 索联合支护巷道断面图见图 2. 图 2 锚杆 / 索联合支护巷道断面图 2. 2 支护效果模拟 采用有限差分数值计算程序 FLAC3D 建立模型, 分析掘进期间巷道在该支护方案下的变形情况、巷道 围岩塑性区分布情况。 巷道顶底板及两帮变形情况见图 3,4. 由图 3,4 可知,巷 道 顶 板 最 大 下 沉 量 25 mm, 最 大 底 鼓 量 10 mm,顶板下沉量大于底鼓量,最大变形位置发生 在巷道顶底板中部;两帮移近量均为 16 mm,移近量 最大处均在两帮中部。 该方案支护后巷道整体位移 量不大,说明巷 道的支护强 度能 控 制 巷 道 围 岩 的 变形。 图 3 巷道顶板下沉和底鼓情况图 巷道的塑性区分布情况见图 5,由图 5 可知,巷 图 4 巷道两帮移近情况图 道 4 个角有围岩屈服破坏现象,巷道围岩屈服破坏范 围很小。 图 5 巷道围岩塑性区分布情况图 数值模拟结果表明巷道通过锚杆、锚索组合支 护系统,有效控制了巷道表面围岩的变形,起到了应 有的支护效果。 巷道的支护强度能满足巷道在使用 期间对变形的要求。 3 支护效果监测 为验证支护设计的合理性,现场采用综合监测、 日常监测、松动圈探测、测力锚杆监测等手段,对支护 方式优化后的锚杆、锚索联合支护效果进行监测[1]. 1 综合监测。 a 顶板离层监测。 顶板离层采用 YHW-300 型光感离层仪进行监 测。 因巷道顶板采用 7. 2 m 锚索、2. 5 m 锚杆联合支 护,故离层仪深基点布置在巷道顶板 7. 3 m 处,浅基 点布置在巷道顶板 2. 4 m 处,深基点初安值为 2 mm、 浅基点初安值为 1 mm. 监测曲线见图 6. 由图 6 可 知,顶板离层监测曲线无变化,说明在掘进过程中,巷 道顶板稳定,无离层现象。 b 锚杆 / 索工作载荷监测。 锚杆 / 索工作载荷采用 MCS-400 型光感测力计 进行监测,分别在顶板 1、3、4、6锚杆,左帮 1、2 342020 年第 5 期荀建梁矿压监测技术在巷道支护设计中的应用 图 6 顶板离层变化曲线图 锚杆,右帮 1锚杆,顶板中部锚索安设测力计对锚 杆 / 索工作载荷进行监测,布置示意图见图 7,监测曲 线见图 8. 图 7 锚杆 / 索测力计布置示意图 1顶锚索应力 2顶板 4锚杆应力 3顶板 3锚杆应力 4顶板 1锚杆应力 5右帮 1锚杆应力 6左帮 1锚杆应力 7顶板 6锚杆应力 8左帮 2锚杆应力 图 8 锚杆 / 索受力变化曲线图 由图 8 可知,巷道掘进 8 m 范围内,锚杆 / 索受力 变化最大,在掘进 13 m 后各测力计变化速率趋缓,但 仍有增大趋势,此范围内主要是安装测力计距迎头过 近,受掘进采动影响;在掘进 50 m 左右后锚杆 / 索受 力基本不变,围岩压力稳定。 根据监测数据可知,巷道顶板 3、4锚杆变化最 大,变化值分别为 62 kN、52 kN,说明巷道开挖后,帮 部锚杆受力变化较小,但整体呈增大趋势,说明顶板 支护强度较高,顶板压力传递在两帮的压力较小。 其 中顶板 6锚杆、左帮 2锚杆受力先变小后变大,是因 为巷道开挖后左帮较不稳定,在掘进 5 m 后左帮及顶 板右侧稳定后,受掘进采动影响,锚杆受力呈增大趋 势。 总的来说,各测力计变化在允许范围之内。 c 表面位移监测。 表面位移监测采用十字布点法安设测站,每个测 站安装两个监测断面,沿巷道轴向间隔 2 排。 监测曲 线见图 9. 由图 9 可知,巷道在掘进过程中围岩相对 比较稳定,未发生位移变化。 12测点交点左位移 21测点交点左位移 32测点交点右位移 41测点交点下位移 51测点交点右位移 62测点交点下位移 72测点交点上位移 81测点交点上位移 图 9 巷道表面位移变化曲线图 根据监测情况可知,巷道顶板稳定,未发生离层 现象;在掘进过程中,受巷道掘进采动影响,锚杆、锚 索受力有增大现象,但在合理范围之内,工作面向前 掘进 50 m 后锚杆 / 索受力趋于稳定;且围岩未发生位 移,围岩相对比较稳定。 说明巷道支护强度高,能够 有效保证围岩稳定。 2 日常监测。 支护优化后,工作面又建立 5 组顶板离层仪、测 力计在线监测测站。 通过日常监测可知,各顶板离层 仪未发生离层;各测力计观测值整体增大锚索测力 计最大变化值 60 kN,锚杆最大变化值 29 kN,但趋 于稳定,观测值在正常范围之内。 由此可知,巷道支 护有效,顶板稳定。 3 松动圈探测。 松动圈测试主要采用超声波围岩裂隙探测仪,主 要方法为单孔声波法,依据波速在岩体中传播这一特 性,根据波速的变化规律判定围岩松动范围,即声波 随岩石破裂程度增加,传播时间越长,声速越低[2]. 现场分别在顶板、左右两帮施工钻孔,采用探测仪对 松动圈厚度进行探测。 测试结果见图 10,11,12. 由图 10 可知,右帮的测试时间在 0. 8 m 处急剧 44山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期 图 10 右帮松动圈测试结果图 变小,波速变大,说明破碎程度明显减弱,完整性较 好,松动圈厚度在 0. 8 m 左右。 图 11 左帮松动圈测试结果图 由图 11 可知,左帮的测试时间在 0. 9 m 处急剧 变小,波速变大,说明破碎程度明显减弱,完整性较 好,松动圈厚度在 0. 9 m 左右。 因顶板右高左低,所 以左帮承受压力较大,故破碎程度较右帮大。 图 12 顶板松动圈测试结果图 由图 12 可知,顶板的测试时间在 1. 5 1. 7 m 处 急剧变小,波速变大,说明破碎程度明显减弱,完整性 较好,松动圈厚度在 1. 51. 7 m. 现场顶板使用 2. 5 m 的锚杆、帮部使用 2. 0 m 的 锚杆,能够阻止松动圈内岩石的进一步软化,并对围 岩强度进行恢复,至少使一部分恢复到弹性状态,以 提高其残余强度,提高巷道稳定性,提高承载能力,阻 止围岩变形。 4 测力锚杆监测。 通过安设测力锚杆,对顶板锚杆受力位置进行监 测,根据杆长选择合理的间距布置多个测点,当杆体 受力变形时,内部应变片电阻值会发生相应变化并转 换成该点处锚杆受力[3]. 锚杆受力变化曲线见图 13,由图 13 可知,测力锚杆安装后,杆体受力不断增 加,锚杆受力在浅部围岩及深部围岩处较小,中间部 分受力最大,距离顶板 1. 0 m 深处锚杆受力最大,表 明 1. 0 m 深处围岩活动最剧烈,对锚杆影响较大,但 最大受力为 85 kN,未超过屈服强度,说明支护有效。 图 13 锚杆受力变化曲线图 现场顶板锚杆使用 Z2388、CKb2360 型树脂锚固 剂各一条进行锚固,锚固长度为 2. 0 m,能够较好地 控制顶板变形。 5 顶板反馈。 通过现场观测可知,顶板破碎的现象显著改善, 说明锚杆支护对锚固范围内的围岩提供一个径向压 力,使因巷道开挖失去应力平衡的围岩达到新的力学 平衡,锚固范围内的围岩强度得到恢复,部分进入加 载时的弹性状态,提高了巷道稳定性和承载能力。 4 结 论 1 采用矿压监测技术,得出了 11-1041巷采用 “锚杆锚索”联合支护形式下的矿压显现规律,在距 离工作面 813 m,对巷道围岩影响最大,且巷道中部 锚杆受力最大,局部受力最大值为 60 kN;距离工作 面 50 m 后,围岩趋于稳定;锚杆在浅部围岩及深部围 岩处受力较小,中间部分受力最大,距离顶板 1. 0 m 深处围岩活动最剧烈,最大受力为 85 kN,未超过屈 服强度;巷道顶板松动圈厚度为 1. 5 1. 7 m,两帮松 动圈厚度为 0. 80. 9 m,选择 2. 5 m 的顶锚杆、2. 0 m 的帮锚杆能够有效控制围岩变形。 2 对支护成本进行对比,全锚索支护延米费用 为 1 682 元 / m,采用锚杆、锚索联合支护后,延米费用 为 1 438 元 / m,延米费用节约 244 元 / m. 3 对支护优化前后的正规循环进行测定,支护 优化前循环进尺为 7 m/ 日,支护优化后循环进尺为 10 m/ 日,提高了 3 m/ 日. 下转第 56 页 542020 年第 5 期荀建梁矿压监测技术在巷道支护设计中的应用 参 考 文 献 [1] 罗 超,耿蒲龙,曲兵妮,等. 基于小波包的矿井供电系统单相接地故障选线方法[J]. 工矿自动化,2018,44268-74. 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Single-phase Ground Fault Line Selection Algorithm Based on EEMD ZHAO Ru, ZHANG Zhicheng, WU Chunxiao, XU Da, LUO Ke, LIU Zhenxing Abstract With the popularization and application of mechanized coal mining technology, the load capacity of mine power supply systems in China has increased significantly, the power supply distance has also increased signifi- cantly, and the probability of single-phase ground fault is increasing. In order to more effectively ensure the safety of mine power supply, a single-phase ground fault line selection based on EEMD is proposed in this paper. This first pers EEMD decomposition on the zero-sequence current signal of each line, extract the decomposed IMF1 high-frequency component and per Hilbert trans, get the instantaneous amplitude of each line, and cal- culate the energy of each line based on the instantaneous amplitude, calculate the energy of each line by the instanta- neous amplitude, and finally select the fault line according to the principle of the maximum energy of the fault line. The simulation test using RTDS real-time digital simulation system verifies the reliability and effectiveness of the algo- rithm. Key words Single-phase ground fault;EEMD;Hilbert transation;RTDS 上接第 45 页 参 考 文 献 [1] 康红普,王金华. 煤巷锚杆支护理论与成套技术[M]. 北京煤炭工业出版社,2007. [2] 杨艳国,范 楠. 基于单孔声波法测试巷道围岩松动圈试验研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47393-100. [3] 孔宪法. 晋华宫矿煤巷锚杆支护优化研究[J]. 山西能源学院学报,2019,32423-25. Application of Mine Pressure Monitoring Technology in Design of Roadway Support XUN Jianliang Abstract Taking the surrounding rock support during the excavation of 11-1041 roadway in Sanjiaohe coal mine as the research object, the mining pressure monitoring technology is used to monitor the effect of roadway support. It can be seen from the mine pressure monitoring that the full anchor cable support on the roof of the working face is op- timized into the anchor anchor cable combined support , which reduces the per unit cost of the driving, im- proves the advance per round, and changes the crushing state of the shallow part of the surrounding rock . Key words Mine pressure monitoring; Roadway support; Law of mine pressure 65山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期