文章编号:0253-9993(2000)S0-0058-04锚杆支护巷道顶板离层机理与监测鞠　文　君(煤炭科学研究总院北京开采研究所,北京　100013)摘　要:提出了广义顶板离层的概念,对锚杆支护巷道顶板离层的主要形式和影响因素进行了分析,并介绍了顶板离层的监测方法及其应用.关键词:锚杆支护;顶板离层;离层监测中图分类号:TD353+16 文献标识码:A基金项目:煤炭科学基金资助项目(96采20212) 锚杆支护巷道顶板的破坏失稳一般没有明显的预兆,一旦发生冒顶,往往具有突发性,且多数情况下垮落规模比较大,因而危害性更大.已有的研究成果和工程经验表明,离层是煤巷顶板破坏失稳的基本特征或直接原因.因此,如果能及时准确地掌握煤巷锚杆支护的顶板离层情况,就可以在冒顶发生之前及早做出预报,避免顶板事故发生,保证煤巷锚杆支护技术健康发展.1　顶板离层的概念 顶板离层系指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度岩层中某点的相对位移量,可称其为广义顶板离层.可以看出,广义顶板离层与“顶板离层”的字面含义是不同的,“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,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.2　顶板离层的几种形式211　由围岩弹塑性变形引起的顶板离层 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. 受二向等压作用的圆形巷道,半径r 处围岩位移量的大小为U =γH 1+μE r 0r ,式中,γ为上覆岩层的平均容重;H 为埋藏深度;μ为泊松比;E 为弹性模量;r 0为巷道半径. 当巷道围岩中的应力超过其屈服强度时,围岩就会进入塑性变形状态,塑性位移的大小为U p =sin φ2Gr(γH +C tan φ)R 2p ,式中,C 为围岩凝聚力;φ为围岩内摩擦角;G 为围岩剪切模量;R p 为塑性区半径,即R p =r 0γH +C tan φ(1-sin β)C tan φ1-sin φ2sin φ. 巷道的弹塑性位移主要取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(H 增加),弹塑性变形和塑性区半径都有不同程度的增加.　第25卷　增刊煤 炭 学 报Vol.25　Sup. 2000年　12月J OU RNAL OF CHINA COAL SOCIET Y Dec.　2000　图1　岩石的全应力-应变曲线Fig 11　Stress 2strain curve of rock1———纵向应变;2———横向应变;3———体积应变212　岩层扩容引起的顶板离层[1] 扩容是指岩层在剪切应力的作用下体积膨胀的现象.最初由雷诺兹(Reynolels )1885年用砂进行试验提出的,称之为“剪胀”.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.应力偏量与岩石扩容的关系如图1所示. 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.213　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,微观表面为弱面间的滑动和张开,宏观上就表现为围岩的收敛位移.特别对于顶板岩层,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.3　影响顶板离层的主要因素(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U 、塑性位移U P 、扩容位移U D 都呈增长的趋势.(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σ、弹性模量E 、剪切模量G 、内摩擦角φ、凝聚力C 等.围岩的力学参数越高,巷道的变形越小,巷道越稳定. 在煤矿生产实践中,容易测取,应用比较广泛的是围岩的单轴抗压强度.经验表明,顶、底板移近率随围岩强度的增加而降低.当强度低于某一值(如30MPa )时,移近率随强度的降低而急剧增加;当强度大于某一值(如50MPa )时,顶、底板移近率随强度的变化就不明显了.(3)围岩结构　煤层巷道围岩一般呈层状分布,并且不同程度地受节理、裂隙的切割.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的稳定影响极大. 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,那么顶板离层值就越小.(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,顶板下沉量都有不同程度的减小.在设计中要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.(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. 在一定的地应力条件下,巷道高宽比不同会在围岩中产生不同的附加应力,对巷道的稳定性产生影响.对于椭圆形巷道,当巷道的轴比(宽度b 与高度a 的比值)与侧压关系λ(水平应力与垂直应力的比值)相等,即b/a =λ时,巷道最稳定;当b/a >λ时,对巷道稳定不利;当b/a <λ时,也不利于巷道的稳定.95增刊鞠文君:锚杆支护巷道顶板离层机理与监测06煤 炭 学 报2000年第25卷(6)护巷煤柱尺寸　护巷煤柱的尺寸决定了相邻采空区残余支承压力的影响程度,是影响顶板离层的重要因素.沿空掘巷时巷道围岩移近率较小,随着巷道一侧护巷煤柱的加大,围岩移近率急剧增加,并达到一个峰值(煤柱宽度约5～15m),过峰值后随着护巷煤柱的加大,围岩移近率急剧下降.当达到某一宽度以后,虽然煤柱宽度增加,但围岩移近率减少不多,基本为稳定状态,相当于在实体煤中维护的巷道.4　顶板离层的监测 顶板离层监测的常规仪器是顶板离层指示仪,国内广为应用的是北京开采研究所研制的LB Y-3型顶板离层指示仪,该仪器具备结构简单、显示直观、测读方便等特点,最大量程200mm,分辨率1mm.顶板离层指示仪的主要功能是以不同的颜色段对顶板锚固范围内及锚固范围外离层情况提供连续直观的显示,以便向井下作业人员随时警示顶板变形情况,及早发现顶板失稳的征兆;同时,它本身又带有精确的刻度,可直接测读顶板锚固范围内及锚固范围外的顶板离层值,即可兼作简易多点位移计使用,测读结果可作为锚杆支护参数校合的重要依据. 顶板离层的辅助监测内容包括锚杆受力和巷道的表面位移. 锚杆受力大小及分布,真实反映了锚杆的工况,由此可以判断锚杆满载程度是否发生屈服、断裂,进而判定顶板是否稳定,支护参数是否合理[2].监测锚杆受力的理想仪器是北京开采研究所研制的CM-200型测力锚杆[3],它是一种具有特殊结构的专用锚杆,作为普通锚杆安装在巷道中,但其杆体上各段的受力可以随时测取.在同一地点,测力锚杆与离层仪的监测结果具有一致性,离层量大的层位往往锚杆的受力也大,两种仪器配合使用可以对顶板离层进行更深入细致地分析研究. 表面位移综合反映了巷道的稳定性,两帮的稳定性对顶板的稳定至关重要,两帮相对移近量反映了帮的支护效果和稳定性,也间接反映出顶板离层的情况.5　监测信息反馈及应用 监测的目的在于保证安全生产和指导支护设计与施工.将监测到的信息与设定指标进行对比,一旦发现有指标超出,就必须及时采取相应的工程措施,并对原设计进行修正.顶板离层的监测指标有:锚固范围内顶板离层值A1(mm);锚固范围外顶板离层值A2(mm);两帮相对移近量B(mm);锚杆所受的最大拉力C(kN). 监测信息超标采取的工程措施要根据具体情况由煤矿技术部门制定,见表1.表1　监测信息指标的运用T able1　Use of inspect information guideline超标监测指标设　计　及　施　工　修　改　措　施A1减小锚杆间、排距;增大预紧力C加大锚杆直径,改用优质钢材,增加锚杆粘结长度,提高粘结强度A2加大顶锚杆长度,顶板打长锚索,增加两帮支护强度B加大帮锚杆长度,减小两帮锚杆间排距,两帮注浆加固 如果监测的各项指标远小于设计值,说明设计参数过于保守,可适当减小支护强度,以降低支护成本. 设计修改后,按修改后的设计进行施工.在施工中继续进行现场监测,并根据监测反馈信息重新确定修改后的设计是否满足支护要求,如达不到要求,应继续进行修改设计,使之不断趋于完善.6　结 论(1)巷道顶板离层系指巷道服务期内顶板岩层中一点相对其上方某一点的相对位移量,具体表现为顶板的弹塑性变形、扩容变形、层面分离等形式,在工程上用顶板离层指示仪监测顶板离层量和警示顶板安全状态.(2)锚杆支护巷道失稳无明显预兆,必须进行有效的顶板安全监测.安全监测内容主要有:顶板离层、锚杆受力、巷道变形等.(3)顶板离层值是表征顶板稳定性的一个重要指标,在实际运用中还需与锚杆受力、巷道位移、巷道外观形态变化等综合考虑,以此作为判断巷道稳定性和采取加强支护的根据.参考文献:[1]　古全忠,王泽进.锚杆支护巷道顶板离层位态监测准则[J ].煤矿开采,1997(增刊):49～53.[2]　鞠文君,王泽进.测力锚杆研制与应用技术[J ].煤矿开采,1997(增刊):18～22.[3]　鞠文君.全长锚固锚杆工况监测方法[J ].煤炭科学技术,1998,26(6):15～18.作者简介: 鞠文君(1965-),男,高级工程师.1990年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业,获工学硕士学位.现任煤炭科学研究总院开采所巷道室副主任,中国岩石力学与工程学会会员.长期从事巷道支护技术及工程监测技术的研究,是国家“八五”重点科技攻关项目“巷道围岩稳定性分类与支护规范”的主要完成人,近年来主持完成了煤炭工业重点科研项目“测力锚杆研制与应用技术研究”、“锚杆支护巷道顶板离层界限值的研究”等多项课题,1999年获得煤炭工业科技进步特等奖.曾发表“应力控制法维护巷道的研究”、“锚杆支护工程监测技术”、“巷道维护中的应力问题”等论文10余篇.Monitoring technology for rock bolting engineeringJ U Wen 2jun(Beiji ng Mi ni ng Research Instit ute ,Chi na Coal Research Instit ute ,Beiji ng 100013,Chi na )Abstract :The broad 2based concept of roof abscission layer is put forward ,the mostly forms and influence fac 2tors of roof abscission layer in bolting support subway are analyzed ,the monitoring approaches of roof abscission layer and their practices are introduced.K ey w ords :rock bolting ;roof abscission layer ;engineering monitoring 16增刊鞠文君:锚杆支护巷道顶板离层机理与监测。