CN103244185B - 一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法，属于矿山灾害预警领域。该方法提高了预警效果的准确性，实现了锚杆支护巷道顶板离层失稳有效预警。该方法在锚杆支护巷道监测地点顶板位置处安设顶板离层仪和锚杆测力计，进行巷道顶板离层监测和顶板锚杆受力监测，记录监测数据，结合数据制得锚杆受力监测曲线和离层量变化曲线，然后根据曲线判断是否明显离层，若产生明显离层，则将顶板离层量与顶板离层量界限值进行比较，若顶板离层量大于顶板离层量界限值，则将该离层监测数据前一个数据作为离层速度比率计算始点，生成离层速度比率曲线，参考离层速度比率曲线判断是否达到离层速度比率阈值，若达到则进行预警。

Description

一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法

技术领域

本发明涉及一种井下巷道顶板离层失稳的预警方法，属于矿山灾害预警领域。

背景技术

目前，锚杆支护是巷道的主要支护方式之一，其具有诸多明显的技术优势，与此同时，由于锚杆支护属于隐蔽性工程，仅对锚固范围内岩层能够有效支护，而巷道顶板离层的产生和发展是个缓慢的过程，往往不易被人察觉。因此，锚杆支护巷道顶板的离层失稳具有突发性，且冒落规模比较大，更具危害性。

对锚杆支护巷道顶板离层失稳的预警方法成为研究热点，现有技术中的预警主要监测仪器为机械式顶板离层指示仪，该指示仪需要人工读数，通常情况下监测周期为1次/天。CN101240718A公开了一种井下采掘空间顶板离层的预警方法，它主要是采用了离层速度比率作为预警指标，判断某一时刻离层速度比率是否超过极限离层速度比率来预警，但是其预警指标单一，容易造成在顶板尚无失稳可能的情况下“谎报军情”，发出预警信息，这样一方面会给人们造成恐慌的心理，同时要求进行加强支护，进而增加了支护费用，影响了安全生产；另一方面，多次谎报，容易使工人产生麻痹心理，不能及时有效支护，从而增加事故发生的可能性，或是顶板发生离层失稳时还没有预警信号，这样将会造成不堪设想的后果；现有技术中有采用智能型顶板离层仪以及顶板冒落监测的离层遥测系统，但是投入成本较大，而且对监测仪器布置位置处巷道围岩变形状况缺乏整体认识，同时由于监测仪器的精度一般为1mm，而当顶板坚硬情况下，离层量变化较小，容易出现突变，影响到离层失稳预警的准确性。

综上所述，亟需一种适应各种顶板岩性条件、对监测仪器要求较低、监测周期相对延长而且离层失稳预警更加准确的方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法，该方法主要采用离层界限值、离层速度(离层量曲线)以及离层速度比率三个指标对顶板离层失稳进行预警，该预警方法投入成本不高、适应性更强而且离层失稳预警更加准确。

本发明，一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法，其包括以下步骤：

a在锚杆支护巷道监测地点顶板位置处安设顶板离层仪和锚杆测力计，进行巷道顶板离层监测和顶板锚杆受力监测，记录监测数据，监测频度可根据现场工程条件确定；

b判断锚杆支护巷道顶板明显离层形式：本发明中所指的明显离层形式包括锚固区外离层和锚固区内离层，首先假设离层形式为锚固区外离层，根据上述的步骤a中记录的数据，分别制出巷道顶板离层量变化曲线以及锚杆受力监测曲线，根据锚杆受力监测曲线来依次判断锚杆是否失效、锚杆失效形式和锚杆支护巷道顶板离层形式，若不能判断顶板离层形式，返回步骤a继续监测；

c锚杆支护巷道顶板离层量界限值的确定：锚固区内顶板离层量界限值主要根据锚杆杆体特性即锚杆杆体最大伸长量确定；锚固区外顶板离层量界限值根据锚杆支护巷道顶板岩层弯曲挠度公式确定；当两种离层形式均存在时，可根据两种情况计算得到顶板离层界限值以及离层临界值经验值，对比分析确定最佳顶板离层界限值；

d锚杆支护巷道顶板离层速度比率阈值λ_t的确定：根据理论分析结合锚杆支护巷道顶板岩层赋存、巷道布置状况、巷道断面尺寸、地应力分布状况以及支护强度等，采用理论计算方法或是工程类比法确定初始离层速度比率阈值λ_t，判断λ_t是否达到离层速度比率阈值，若达到，则进行离层失稳预警；若没达到，则返回步骤a中继续监测。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)本发明采用锚杆受力、顶板离层量及离层速度比率三参量进行锚杆支护巷道顶板离层失稳预警，突破采用单一参量进行离层失稳预警，提高了预警效果的准确性，实现了锚杆支护巷道顶板离层失稳有效预警；

(2)本发明克服了坚硬顶板监测离层量突变以及顶板离层监测仪器精度引起的离层失稳预警的谎报问题，有利于适应各种顶板岩性条件以及采用常规监测仪器进行监测的状况，大大降低了成本；

(3)本发明应用过程中进行了锚杆受力监测，通过监测结果可评价锚杆施工质量及支护效果，而且根据锚杆形式及离层形式的判断，有利于采取及时有效、针对性强的最优加强支护措施，保证巷道围岩的稳定性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明锚杆支护巷道顶板离层失稳技术路线示意图；

图2为本发明锚杆支护巷道监测仪器布置示意图；

图3为本发明监测生成的锚杆受力监测曲线；

图4为本发明监测生成的离层量变化曲线；

图5为本发明监测生成的离层速度比率曲线。

图中，1、锚杆测力计2、顶板离层仪3、W型钢带4、菱形金属网5、螺纹钢锚杆

具体实施方式

下面结合某矿的具体实施进一步说明本发明的方法。

某矿主采2-2中煤层，煤层平均厚度3.38m，顶板自下而上为6.65～11.9m厚的细砂岩和9.5～26.65m厚的砂质泥岩，回采巷道断面形状为矩形，巷道宽度为5.4m，巷道高度为3.3m，顶板采用直径φ20mm、长2200mm的螺纹钢锚杆并且是菱形布置，锚杆间排距为800×800mm，顶部挂钢带、菱形金属网，巷道超前支护范围为25m。在巷道同一断面，安设顶板离层仪测点和锚杆测力计测点，结合图2所示，顶板离层仪采用直通机械式，浅基点深度为2.0m，深基点为8.0m，距右帮2.3m，锚杆测力计直接安装到距右帮1.9m处即右帮第三根锚杆上，数据监测记录频度初设为1次/天。

结合图1技术路线示意图：

(1)初设发生顶板离层形式为锚固外离层，根据挠度计算公式将岩层容重γ＝25kN/m³，锚杆支护范围内岩层厚度m＝2.0m，巷道跨度L＝5.4m，x＝2.7m及考虑流变损伤取E_L＝5.2MPa带入上式计算可得，巷道顶板中央位置处，顶板离层量界限值计算如下式1：

$\mathrm{\η}=\frac{25\×{2.7}^2}{2\×5.2\×{2.0}^2}\×{(5.4-2.7)}^2=31.9\mathrm{mm}$ ……….        式1

结合顶板岩层赋存状况、岩层性质以及支护状况综合分析，可取该种情况下顶板离层量界限值为30mm。若是发生锚固范围内顶板离层，则可根据锚杆伸长量公式确定，经计算可得伸长量约为ΔL＝33.5mm，而且矿方采用的顶板离层临界值为30mm，综合分析可拟取顶板离层量界限值为30mm。

(2)根据监测数据，制成如图3所示的锚杆受力监测曲线和图4所示的离层量变化曲线。从图3可以看出，监测前期锚杆受力基本保持不变，说明此阶段锚杆锚固范围内没有发生明显离层，监测继续；结合图4，可以得出此时巷道顶板在锚固范围外产生离层，因此，取顶板离层界限值为30mm。

(3)根据离层量变化曲线，当离层量超过离层界限值时，工作面推进至监测测点约55m，因此从前一监测数据开始计算离层速度比率，并生成离层速度比率曲线，如图5所示，根据现场工程地质状况等综合分析确定离层速度比率阈值为1.47。

(4)随着监测的继续，可以得到不仅产生锚固范围外离层，同时锚固范围内也产生离层，因此，设置的顶板离层界限值时合理的。当离层速度比率超过设定的阈值时进行离层失稳预警，此时，现场观测到锚网支护巷道出现大量网兜，此时监测点距离工作面约30m，即将进入巷道超前支护范围内，因此采用单体液压支柱进行加强支护，防止发生顶板离层失稳事故。由最终离层量监测结果可知，尽管采用有效地加强支护措施，但是离层量曲线斜率较大，若是措施不当容易产生离层失稳。

应当理解的是，上述针对实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

a在锚杆支护巷道监测地点顶板位置处安设顶板离层仪和锚杆测力计，进行巷道顶板离层监测和顶板锚杆受力监测，记录监测数据，结合数据制得锚杆受力监测曲线和离层量变化曲线；

b步骤a中制得的离层量变化曲线结合现场巷道顶板变形破坏状况，判断是否明显离层，若无明显离层，则返回继续监测；若产生明显离层，则将顶板离层量与顶板离层量界限值进行比较，若没有达到顶板离层量界限值，则返回继续监测；所述明显离层是指锚固区外离层和锚固区内离层；

c若步骤b中所述的顶板离层量大于顶板离层量界限值，则将该离层监测数据前一个数据作为离层速度比率计算始点，生成离层速度比率曲线，参考离层速度比率曲线判断是否达到离层速度比率阈值，若达到则进行预警；若达不到，则返回步骤a中继续监测，依次循环步骤a、b、c。

2.根据权利要求1所述的一种锚杆支护巷道顶板离层失稳预警方法，其特征在于：所述顶板离层量界限值包括锚固区内顶板离层量界限值和锚固区外顶板离层量界限值，所述锚固区内顶板离层量界限值根据锚杆杆体特性即锚杆杆体最大伸长量确定；锚固区外顶板离层量界限值根据锚杆支护巷道顶板岩层弯曲挠度公式确定；

上述公式中，η—顶板岩层弯曲挠度；γ—顶板岩层容重；L—巷道宽度；E—顶板岩层弹性模量；m₀—顶板岩层厚度；

当两种离层形式均存在时，根据两种情况计算得到顶板离层界限值以及离层临界值经验值，对比分析确定最佳顶板离层界限值。