1、专题回采巷道顶板离层分析及其监测摘要：顶板离层是锚杆支护巷道最大的安全隐患，在回采工作面两巷设置项板离层监测点，并在整个回采期间对巷道项板离层进行全程跟踪监测，是消除锚杆支护巷道安全隐患最有效的措施之一。本文重点介绍了锚杆支护巷道项板离层产生的主要原因和形式，顶板离层的观测、成果整理及临界值确定方法，最后以DLZ一2型顶板离层指示仪为例。关键字：回采巷道；顶板离层；顶板离层指示仪1 引言顶板离层是巷道围岩变形和破坏的主要形式之一。顶板离层系指巷道顶板岩层中一点与其正上方一定深度某点间的相对位移量,可称为广义顶板离层。实际应用中一般将广义顶板离层划分为锚杆锚固范围内顶板离层和锚固范围外顶板离层。
2、通常将“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离,可称其为狭义顶板离层。广义顶板离层有着更广阔的内含,它除包括狭义的“顶板离层”外,还包含顶板岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。当顶板离层超过一定范围，即表明顶板处于非稳定状态。因此应随时对巷道顶板所处状态进行监测，及时采取相应措施，否别会导致恶性顶板事故的发生。顶板离层指示仪就是用以测试锚杆长度范围及范围外的顶板离层状况的监测仪器，用于判别锚杆支护参数是否合理，巷道服务期间顶板是否稳定。如果离层指示仪读数超过规定参数，可及时采取加固措施，避免顶板事故发生。离层指示仪的监测结果也可作为修改、完善锚杆支护初始数据的依据之一
3、。近几年来，煤巷锚杆支护技术在我国煤矿发展很快，生产实践表明在回采巷道中合理采用锚杆支护技术具有支护效果好、成本低、有利于回采工作面快速推进等突出优点，可在短时期内给煤矿带来巨大的经济效益。但煤巷锚杆支护技术也存在着不容忽视的隐患，即煤巷顶板的破坏隐蔽性强，许多冒顶没有明显的预兆，而突发性冒顶会造成极为严重的危害。因此，对锚杆支护巷道进行离层监测掌握顶板离层的状况，对及时采取相应的措施。阻止顶板失稳、避免突发性破坏的发生是至关重要的。2 顶板离层分析2.1 顶板离层的表现形式顶板离层系指巷道服务期内顶板岩层中一点与其正上方一定深度岩层中某点的相对位移量。实际应用中一般将顶板离层划分为锚杆锚固范
4、围内顶板离层和锚固范围外顶板离层。从顶板离层的定义可以看出顶板离层与其字面含义是不同的，“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离，可称其为狭义顶板离层。广义顶板离层有着更广阔的内含，它除包括狭义的“顶板离层”外，还包含顶板岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。图1 巷道顶板离层示意图2.1.1 弹塑性变形井下巷道由于受到原始应力的作用，开掘前处于弹性压缩状态，开挖后原始应力平衡遭到破坏，一部分弹性能得以释放，围岩就会产生向巷道内移进的弹性变形。开挖后的新应力场在形成过程中产生应力集中，一部分围岩会受到超过屈服极限的应力作用进入塑性，而产生塑性变形。巷道的弹塑性位移主要取
5、决于原岩应力和围岩的力学特征，一定的围岩条件下，应力增加，弹塑性变形量和塑性区半径都有不同程度的增加。2.1.2 岩层扩容扩容是指岩层在剪切应力的作用下体积膨胀的现象。试验研究表明，岩石的扩容与其所受应力偏量关系很大，顶板岩层的应力偏量达到一定极限，就会发生扩容现象，直观表现为顶板离层。当应力偏量超过一定极限时，岩石就发生扩容现象。应力偏量继续增加，则扩容也随之加大。当岩石发生破坏之后，应力虽然降低，但体积变形一直在增大，直至残余强度。对于某些含有粘土类矿物(主要有高岭石(Kaolinite)、蒙脱石(Montmorilonite)、伊利石(Illite)的岩石，遇水吸潮后会发生体积膨胀，引起
6、明显变形。2.1.3 狭义顶板离层煤系地层呈明显地层状分布，并且多受节理裂隙切割，这在煤系地层的沉积和地质变动过程中即已形成。各分层及节理裂隙胶结程度低，力学性能差，是天然的力学弱面。巷道变形失稳首先从这些弱面开始，微观表现为弱面间的滑动和张开，宏观上就表现为岩层的折曲与位移。特别对于回采巷道顶板岩层，当弱面张开后，各层之间失去了力学联系，由于岩层自重和水平力的挤压作用，离层有进一步扩大的趋势。狭义顶板离层在广义离层中占有很大的比重，这在实际观测中得到了证实。2.2 与顶板离层相关各因素分析2.2.1 地应力地应力是引起巷道围岩变形和破坏的根本原因。随着应力的增加， 围岩的弹性位移、塑性位移、
7、扩容位移都呈增长的趋势。2.2.2 围岩力学性质围岩力学特性对巷道稳定性有重要影响。表征围岩力学特性的物理量主要有：围岩强度、弹性模量E、剪切模量G、内摩擦角 、凝聚力c等围岩力学指标越高，巷道变形越小，巷道越稳定。2.2.3 顶板岩层结构煤层巷道围岩一般呈层状分布，并且不同程度地受节理 裂隙切割。巷道顶板岩层各分层的岩性、厚度及节理裂隙发育程度 对顶板稳定影响极大。在巷道顶板岩性一定的情况下，分层厚度、节理裂隙间距越大，巷道顶板稳定性越好，顶板离层值就越小。2.2.4 锚杆支护参数在一定的围岩条件下锚杆的密度、直径、长度、锚固长度增加，锚杆预紧力加大，顶板下沉量都有不同程度的减小 在设计中要
8、综合考虑支护成本和支护效果。最大程度地满足技术和经济双方面的要求。2.2.5 巷道断面巷道断面的大小和形状也对巷道的稳定有重要影响。巷道断面尺寸愈大，愈不利于巷道的稳定在各种形状的断面中，椭圆形巷道最稳定，拱形次之，矩形巷道容易在周边产生高集中应力和拉应力，稳定性最差在一定地应力条件下，巷道高宽比不同会在围岩中产生不同的附加应力，对巷道稳定性产生影响。对于椭圆形巷道，巷道的轴比(宽度b与高度a的比值)与侧压关系(水平应力与垂直应力的比值)相等即ba=l时，巷道最稳定；当ba时，对巷道稳定不利；当baS1S2S3 (S1、S2、S3分别为1 m测点，2m测点和3m测点的下沉量)所以在实际测量中，
9、Ll、L2与L3的关系必然为Ll0，则说明巷道顶板表面与测点1之间有离层出现，其差值即为离层量。如果：L2一Ll0，则说明测点2与测点1之间即1 m 点与2m 点之间有离层出现，其差值即为离层量，如果：L3一L20，则说明2m测点与3m测点间有离层，其差值即为离层量。所以，通过以上计算，用L2是否大于0，判断出顶板至1 m点间离层；L2一Ll是否大于0，判断出1 m 点至2m点间离层量；L3一L2是否大于0，判断出2m点到3m点间是否出现离层。3.2 顶板离层临界值确定方法用巷道顶板离层指示仪可以测出每个测点处距巷道顶板不同深度的顶板离层量和所在位置，但1个测点所测出的结果只能说明测点自身及其
10、附近巷道顶板的离层情况，要想对整个巷道顶板的离层情况进行监控，则需在巷道内每隔一定距离设置1个测点，这样就由这些测点在所要监测的巷道内形成一条监测线，定期对这些测点进行观测，就可以达到对整个巷道顶板进行监测目的。顶板离层量日常观测成果整理比较简单，但如果测点较多，计算量大。主要是依靠顶板离层量危险“临界值”来判断顶板是否有垮落的危险。因此， 巷道顶板离层量的危险临界值确定是至关重要的。对每条巷道来说，其巷道顶板离层量的危险临界值都应有两个， 即锚杆锚固范围内和锚固范围外应有不同的离层量危险临界值。锚杆锚固范围内离层量危险临界值应根据锚杆有效伸长量来确定，锚杆有效伸长量即是锚固在巷道顶板上的锚杆
11、在受拉作用时，其受拉力达到其设计拉拔力时的伸长量， 危险临界值一般都小于或等于锚杆有效伸长量。但：-经过多条巷道观测证明，锚杆锚固范围内实际顶离层远小于锚杆有效伸长量。锚杆锚固范围外项板离层临界值虽然可以根据岩梁厚度、巷道宽度及岩层性质来计算，但理论计算往往都是以岩梁为均质体作为假设条件，而实际上巷道顶板岩性及节理裂隙发育程度都有很大的不确定性， 所以最好的确定办法就是通过实际观测，特别是观测到那些即将要冒落的顶板不同深度的离层量，所确定的离层临界值才有说服力。在实测中常用的方法是，当实际发生了巷道顶板垮落现象时，则直接取此处顶板离层量作为预报危险的临界值，如果在所观测巷道中没有顶板垮现象发生
12、同时也无类比经验参数时，则可根据经验预设一个量值较小的离层量作为准临界值，在观测过程中逐步修正。如在观测过程中实际顶板离层量没有达到预设值且顶板也无危险情况发生，则继续使用预设值作为临界值。如在观测过程中实际顶板离层量达到或超过了预设临界值，但巷道顶板没有发生危险的迹象，则可适当加大预设临界值，然后再继续观测和修正。已有的观测结果可作为以后同类巷道观测的准临界值，即当以后在同类巷道中观测时，可以用此次观测没有发生项板垮落危险时最大离层量作为临界值， 当所观测的巷道顶板离层量小于此值时，则不必修正，如果大于此值，但顶板完好，无危险迹象，并能安全采过时，可将临界值增大至所观测到的离层量。3.3 锚杆支护质量监测系统软件介绍锚杆支护质量监测数据量大，专业性强，现场实测数据整理劳动强度大，而监测数据的时效性强，为了及时掌握巷道或工作面矿山压力状况和变化情况，提高监测数据的管理水平，我们针对工作面两巷矿压观测
