掘进巷道矿压监测有关知识.docx
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掘进巷道矿压监测有关知识
掘进巷道矿压监测有关知识
《煤矿安全规程》第44条采用锚杆支护形式时，应遵守下列规定：
1、锚杆必须按规定做拉力试验。
煤巷还必须进行顶板离层监测，并用记录牌板显示。
对喷体必须做厚度和强度检查，并有检查和试验记录。
在井下做锚固力试验时，必须有安全措施。
2、锚杆必须用机械或力矩扳手拧紧，确保锚杆的托板紧贴巷壁。
一、矿压的形成
煤层在受到开挖以前，由于长期受到周围岩土体压力作用，压力处于应力平衡状态。
当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡，在采掘空间周围引起岩体应力的重新分布，在这种不平衡应力的作用下，会出现巷道及回采空间周围煤岩体的变形、移动、垮落等现象，直到应力达到新的平衡为止。
这种由于在地下进行采掘活动而在巷道、峒室及回采空间周围巷道内及支护物上所产生的压力称为“矿山压力”，简称“矿压”。
在矿山压力的作用下，地下巷道、峒室及回采空间周围的煤岩体及支护物将发生变形和破坏，产生顶板下沉、底板隆起、巷道断面缩小、岩体破断离散发生冒落、煤体压酥甚至突然抛出、支架变形、上覆岩层大范围移动甚至地表塌陷等现象。
这些在矿山压力作用下，围岩、煤体及支护物所产生的各种力学现象，称为“矿山压力显现”，简称矿压显现。
巷道岩体破坏只有两种“拉断”、“剪切”，没有“压坏”。
（莫尔强度理论认为）：
材料发生破坏的主要原因是由于破坏面上的剪应力达到一定限度的缘故，这个剪应力除了与材料本身的性质有关，还与破坏面上由于正应力而产生的摩擦阻力有关。
即某点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取决于该点的正应力，前者起破坏作用，后者起阻碍破坏作用。
破坏的四个阶段：
压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段。
二、掘进巷道所受矿压的种类及作用距离、大小。
1、掘进本身的支承压力的显现
未受采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态，岩体的原始铅直应力等于上部覆盖的岩层重量，巷道开挖以后，原岩应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中，如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定的范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质，巷道开挖以后围岩应力分布如图1所示。
变形量的大小取决于围岩的原始应力、岩石性质、巷道支护形式、支护强度和巷道尺寸。
在开采深度大，煤岩层松软和受采动影响的情况下，巷道围岩变形严重。
巷道松动范围深入到周边3-5m；在开采深度浅，煤岩层强度大，受开采影响的情况下巷道围岩变形较小，
P-原始应力切向应力pi-支护阻力a-巷道半径R-塑性区半径
A-破裂区B-塑性区C-弹性区D-原始应力区
2、受本工作面回采影响矿压显现
开采后的上覆岩层所形成的结构,由煤壁-已冒落的矸石支撑体系来支撑,只是在下位岩层中才可能形成煤壁-工作面支架-采空区已冒落矸石支撑体系,随着回采工作面向前推进，回采巷道要受本工作面回采产生的前方支承压力影响，如图2所示。
在本工作面回采引起的超前移动支承压力作用下，巷道围岩应力再次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长，在工作面的后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和显著运动使得支承压力和巷道变形都达到最大值，远离工作面后方，巷道围岩变形速度逐渐衰减，巷道围岩性质、护巷煤柱宽度、巷旁支护方式、工作面顶、底岩层结构对该时期围岩变形量影响最大。
工作面支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示，应力增高系数k为支承压力峰值与原岩铅直应力的比值,支承压力峰值位置距煤壁一般4～8m,相当2～3.5倍回采高度,影响范围40～60m,少数可达60～80m,应力增高系数为2.5～3,实测中，单侯矿6101N以及6107N工作面形成的超前支承压力主要影响范围为20m左右。
表1采区回采巷道不同时期顶底板移近规律
矿压显现带
各带内顶底板移近速度/mmd-1
各带内移近量所占比值/%
掘进影响阶段
剧烈区每天由几毫米至几十毫米,稳定期一般小于1
无采掘影响带
多数情况为0.2-0.5,有时至1左右
采动影响带
前影响区
由每天几毫米至几十个毫米
10-15
后影响区
一般20-30少数达到40-60
50-60
采动影响稳定带
多数情况下小于1,有时达1-2
5-8
3、受相邻工作面采动影响矿压显现
煤层开采后，采空区上部岩层重量将向采空区新的支撑点转移，从而在采空区周围形成支承压力带，工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力，采空区应力重新分布见图3。
1-工作面前方超前支承压力2、3-工作面倾斜、仰斜
方向残余支承压力4-工作面后方采空区支承压力
工作面倾斜方向的固定支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达到35～40m，支承压力峰值位置距离煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3，在回采巷道布置中，煤柱护巷这种形式中，煤柱一般留20m～30m，也有的3～5m。
但这一宽度煤柱保护下的巷道，还不能从根本上避免上区段开采形成的固定支承压力影响，
A-减压区B-增压区C-稳压区D-极限平衡区E-弹性区
采动影响前后方支承压力影响同前。
4、支承压力在底板岩层中的传播
相当于一个力作用在地面上，地面形成一个反作用力，作用力是一组等值线（压力泡）。
下部煤层掘进受上部煤层回采时所受的采动影响，相当于超前支承压力作用在掘进巷道的顶板上，间距越大，所受压力越小。
三、矿压的破坏作用
四、矿压的观测手段及数据整理分析
掘进工作面的现场观测的目的在于掌握井巷围岩破坏、变形过程、应力分布规律。
分析井巷支架与围岩相互作用关系：
为选择合理支护方式、确定合理护巷参数、为改进巷道支护提供科学依据。
1、综合监测内容主要有巷道表面位移的观测（巷道顶底板、两帮的相对移近量、顶板下沉量、底臌量）；顶板离层的观测（锚固区内、外顶板岩层的位移）；锚杆（索）受力的观测（顶帮锚杆及锚索的受力分布）及巷道断面收缩率和破坏状况统计等几个部分，如表所示。
一般每50m设一个，每个综合测站包括一个锚杆受力监测断面、一个位移监测断面、一个顶板离层监测断面，巷道综合监测内容见表。
巷道综合监测内容
序号
项目
内容
1
巷道表面位移
巷道顶底板、两帮的相对移近量、顶板下沉量、底臌量
2
顶板离层
锚固区内、外顶板岩层的位移
3
锚杆受力
顶帮锚杆的受力分布
4
锚索受力
顶板锚索的受力分布
5
巷道断面收缩率和破坏状况统计
记录巷道断面收缩率、巷道围岩位置和破坏程度
（1）巷道表面位移
巷道表面位移的测点布置方案，应该根据巷道（或硐室）断面大小、断面形状和施工情况而定，一般有十字形、三角形和交叉形等布置形式。
若收敛位移量测的目的只是为了围岩稳定监控服务，且工程断面尺寸不大时，可采用较为简洁的布置形式。
若收敛位移量测的目的还要考虑对围岩应力场和围岩力学参数作反分析，则要采用多个三角形的测量方案。
当巷道（或硐室）断面为矩形或断面面积相对小时，采用“十”字布点法安设表面位移监测断面如图所示，在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻φ28mm、深380mm的孔，将φ29mm、深400mm的木桩打入孔中。
顶板和上帮木桩钉上弯形测钉，下帮和底板钉上平头测钉。
每个综合测站布置两个表面位移监测断面，两监测断面沿巷道轴向间距为0.6~1.0m。
观测方法为：
在两帮测钉之间拉紧测绳，顶底测钉之间拉紧钢卷尺，测读顶底板测钉分别至测绳的距离；在顶底板测钉之间拉紧测绳，两帮测钉之间拉紧钢卷尺，测读上下测钉分别至测绳的距离；或直接用测杆测量；测量精度要求达到1mm；采用皮尺测量监测断面至掘进工作面的距离；观测频度为距掘进工作面50m以内或巷道变形严重时，每天观测一次，其它距离或变形小时每周观测一至二次。
A400mm
400m
DC
B
矩形巷道表面位移监测断面布置
AB—顶底板移近量；AO－顶板下沉量；OB－底鼓量；CD－两帮移近量；
CO－上帮移近量；OD－下帮移近量
（2）顶板离层
采用多点位移计（顶板离层指示仪）来测试顶板岩层锚固范围内外位移值。
该仪器主要由基点锚头、测绳、套管、外测筒和内测筒组成。
深部基点固定在顶板稳定的岩层内，浅部基点固定在锚杆端部位置。
当锚固范围内有离层时，顶板沿外测筒向下移动，位移量由外测筒标尺指示；当锚固范围外有离层时，外测筒与顶板相对位置不变，但内测筒有相对移动，离层量由内测筒指示；当锚固范围内外都有离层时，内外测筒分别有指示，总离层量为两测筒指示值之和；观测精度要求达到1mm。
观测频率与表面位移观测相同。
利用钻孔电视可观测巷道内部不同深度处围岩状况。
（3）锚杆（索）受力
锚杆（索）受力监测主要有两种形式，一种是测量端部锚固锚杆（索）工作阻力的锚杆测力计，另一种是测量加长锚固、全长锚固锚杆受力分布的测力锚杆。
锚杆（索）测力计布置：
在一个观测断面中，一般布置3个测力计，顶板一个，两帮各一个。
锚杆（索）测力计可以采用合适的测力计测量锚杆受力。
测力锚杆系统包括测力锚杆、静态电阻应变仪与转换开关。
测力锚杆应尽可能靠近掘进迎头于安装，但必须保证不被掘进机炮头破坏。
一般距掘进迎头至少大于0.5m，这样可以给掘进机留出足够的空间，以免下一循环掘进时测力锚杆受到损害；安装多个测力锚杆，从左至右编号。
当确定一个观测断面中测力锚杆的安装数量后，就可以在巷道掘进过程中将正常安装的锚杆换成测力锚杆，测力锚杆安装方法、安装步骤及其注意事项严格参照相关说明书。
采用测力锚杆和应力应变仪来测量锚杆受力的分布情况，每根测力锚杆上贴有12个应变片，安装前测定初始读值，安装结束后马上进行第一次读数，距工作面5m范围内至少观测2~3次，以后至少每掘10m观测一次，直到数据趋向稳定，巷道变形稳定阶段每月测一次。
通过对测力锚杆的观测可以了解每根锚杆每段的受力状态，测力锚杆屈服点比例是衡量锚杆受力状态好坏的主要指标。
如果屈服点达到50%，说明支护强度不够，巷道安全状况欠佳，有冒顶的可能，必须采取加固措施；如果屈服点很少或一个也没有，尽管巷道很安全，但设计过于保守，一定很不经济；如果屈服点达到80%或更高，大部分巷道需要加固，说明设计左倾，安全系数太小。
（4）巷道破坏情况的宏观统计
每天要对巷道的破坏情况（包括巷道围岩破坏位置和破坏程度）做好记录，为以后的数据分析提供感性资料。
2、日常监测
锚杆支护正常施工后，还要进行日常监测，确保巷道的安全状态。
日常监测主要有三部分内容：
锚杆锚固力抽测、顶板离层观测和锚杆预紧力矩检测。
（1）锚杆（索）锚固力抽测
采用锚杆拉拔仪来测量锚杆的锚固力，锚杆巷道锚固力抽检须安排专人按不小于10%的比例和不大于二天的时间间隔进行，抽检时只做非破坏性拉拔，顶锚杆达到70KN、帮锚杆达到40KN后即可停止拉拔。
锚索张拉压力则应达到30MPa（80-100KN）以上。
（2）顶板离层
顶板离层指示仪除作综合监测外，还作日常监测，巷道每隔100m（检查标准为50m），遇断层、压力大、三叉口、四叉口等安设一个离层仪，压力大的巷道加密安装，仪器的安装根据其相关说明书进行。
安装位置距掘进头不得大于1.5m，以便捕捉顶板离层的全过程。
在距掘进工作面50m内，观测离层值。
50m以外，除非离层松动仍有明显增长的趋势，一般可停止测读具体数据，改为观察两个刻度的颜色。
由当班班长和跟班技术员负责观察，其他人员也应随时注意观察，以便及早发现异常现象，确保安全。
离层指示仪一般以红、黄、绿三种颜色表示顶板离层松动的严重程度，绿色表示顶部松动离层值较小，处一较稳定的状态；黄色表示离层松动已达到警界值；红色则表示顶板离层松动值较大，已进入危险的状态。
观测频度为：
前100米，每班一次，100米后每天观测一次并记录；每周将观测纪录上报技术室一次。
施工区队要将顶板离层指示仪纳入巷道施工的责任制。
（3）锚杆预紧力矩检测
锚杆巷道施工时须安排专人按不小于30%的比例或不大于二天的时间间隔用力矩示值扳手对锚杆螺母的预紧力进行抽检。
顶锚杆达到100N·m，帮锚杆达到80N·m即为合格，对不合格的锚杆必须重新拧紧。
3、观测站位置的确定
从围岩稳定监控出发，应重点监测围岩质量差及局部不稳定块体；从反馈设计、评价支护参数合理性出发，则应在代表性的地段设置观测断面；在特殊的工程位置（如巷道分叉处、巷道交叉处），也应设置观测断面。
观测点的安装埋设应尽可能地靠近掘进头，最好不超过1.5m。
以便尽可能完整地获得围岩开挖后初期力学形态变化和变形情况，这段时间内量得的数据，对于判断围岩性态是特别重要的。
巷道表面位移、顶板离层、多点位移计和锚杆（索）受力观测测点应尽可能布置在同一断面内（如果施工不方便，观测面沿巷道轴向距离不要超过0.6～1.0m），以使测量结果可以相互对照，相互检验。
观测站之间的间距视工程长度、地质条件而定。
在联络巷中，一般布置3个观测站，其中两个分别布设在巷道两端附近，一个巷道中部；对于局部变形强烈的地方可以适当增加观测站。
在硐室中一般仅布置一个观测站即可。
另外，如有需要，可以适当增加若干观测断面（多点位移计观测断面、顶板离层指示仪观测断面等等），观测断面的间距应根据巷道变形情况和观测位置的重要性进行确定，变形越大以及对变形控制要求越高，观测断面的间距相对要求就越小。
4、测点的布置形式
两顺槽均为矩形断面，表面位移监测点布置如图1所示。
位移计通常布置在巷道（或硐室）的拱顶、边墙和拱脚部位。
当围岩比较均一时，可利用对称性仅在巷道（或硐室）一侧布置测点。
测孔的深度一般应超出变形影响范围（孔深5.0～10.0m），测孔中测点的布置应根据位移变化梯度确定，梯度大的部位应加密，在孔口和孔底，一般都应设置测点，在软弱结构面、接触面和滑动面等两侧应各设一个测点。
测力锚杆应在典型区段选择应力变化最大或地质最不利的部位，并根据位移变化梯度和围岩应力状态，在不同的围岩深度内布设测点，测力锚杆的长度应与工程锚杆相同。
测力锚杆的布置应参考巷道支护设计方案和多点位移计的布设情况，进行确定。
5、观测及其频度的确定
在整个观测期间，应该设立值班记录本，详细记载值班期间的一切情况，包括施工进展。
观测频度为：
在作业规程及措施内要详细规定，若遇到特殊情况，应加强观测。
各测量项目原则上应根据其变化的大小来确定观测的频度，变化越大，观测频度越高。
由于不同位置的测点，其位移速度也各不相同，因此，应以产生最大位移者来决定观测频度，整个断面内的各测点应采用相同的观测频度。
附观测样表
矿规定顶板离层仪观测及布置：
（1）测点布置：
正常情况下，每100m在巷中安设一组LBY-2型顶板离层仪。
（2）观测时间：
前100米，每班一次，100米后每天观测一次并记录；每周将观测纪录上报技术室一次。
全风压巷道内离层仪一星期一次。
（3）检测锚杆拉拔力应在现场做拉拔试验，巷道每300根锚杆抽样检查一组，每组随机抽样3根进行检查，并做好记录。
特殊地点及不足300根时，应抽样一组进行检查。
拉拔加载至锚杆设计锚固力的90％。
被检查的3根锚杆都应符合设计要求。
只要其中1根锚杆不合格，应再抽样一组进行试验，如仍不符合要求，应组织有关人员分析原因，并及时采补救措施。
（4）数据处理：
采取边施工，边观测，定期将数据反馈生产技术部，根据“开滦集团煤业公司重大事故隐患分析排查考核制度”之规定，初期巷道变形速度达8mm/d，三天后仍大于3mm/d或当顶板离层锚固区内的最大离层量达到20mm、或总位移量达到40mm时，应向矿生产技术室、调度室、矿总工程师进行汇报，由矿总工程师主持分析顶板离层原因，制定措施并组织落实。
##号测站巷道表面围岩变形观测表
观测日期
测点号
距迎头距离/m
观测数据/mm
宏观描述
AB
CD
OB
初读数
1
2
3
4
5
6
注：
AB为顶底板移近量；CD为两帮移近量；OB为底鼓量
顶板离层仪观测表
观测日期
距迎头距离/m
离层仪编号
观测数据/mm
2m点
6m点
初读数
锚杆/锚索锚固力观测表
观测日期
距迎头距离/m
锚杆编号
观测数据/MPa
1
2
3
锚杆螺母扭矩观测表
观测日期
距迎头距离/m
锚杆编号
观测数据/N.m
1
2
多点位移计观测表
观测日期
距迎头距离/m
多点位移计编号
观测数据/mm
1m点
2m点
4m点
6m点
初读数
6、常用监测仪器
常用监测仪器
名称
数量
备注
钻孔窥视仪
1套
租借
锚索测力计
15只
测力锚杆
60根
应力应变仪
1台
锚杆拉拔仪
2台
锚索张拉设备
2套
顶板离层指示仪
20套
离层仪安装杆
2套
多点位移计
15只
力矩板手
2把
钢卷尺
3把
5m
木桩
若干
400mm
测钉
若干
测绳
5根
4m
7、数据整理
所有监测手段必须留原始记录台帐，即初始值。
每天或每班的记录必须及时填写，当变形量超过规程允许时，要及时汇报并采取措施。
数据填写时要分项目分巷道归类，不能混在一块，否则出现问题不能及时发现。
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