專題-回采巷道頂板離層分析及其監(jiān)測(cè)

專題回采巷道頂板離層分析及其監(jiān)測(cè)摘要：頂板離層是錨桿支護(hù)巷道最大的安全隱患，在回采工作面兩巷設(shè)置項(xiàng)板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在整個(gè)回采期間對(duì)巷道項(xiàng)板離層進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測(cè)，是消除錨桿支護(hù)巷道安全隱患最有效的措施之一。本文重點(diǎn)介紹了錨桿支護(hù)巷道項(xiàng)板離層產(chǎn)生的主要原因和形式，頂板離層的觀測(cè)、成果整理及臨界值確定方法，最后以DLZ一2型頂板離層指示儀為例。關(guān)鍵字：回采巷道；頂板離層；頂板離層指示儀1 引言頂板離層是巷道圍巖變形和破壞的主要形式之一。頂板離層系指巷道頂板巖層中一點(diǎn)與其正上方一定深度某點(diǎn)間的相對(duì)位移量,可稱為廣義頂板離層。實(shí)際應(yīng)用中一般將廣義頂板離層劃分為錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層和錨固范圍外頂板離層。通常將“頂板離層”字面理解為頂板巖層中各分層層面間的相對(duì)分離,可稱其為狹義頂板離層。廣義頂板離層有著更廣闊的內(nèi)含,它除包括狹義的“頂板離層”外,還包含頂板巖層彈塑性變形、擴(kuò)容變形、碎脹變形、折曲變形等。當(dāng)頂板離層超過(guò)一定范圍，即表明頂板處于非穩(wěn)定狀態(tài)。因此應(yīng)隨時(shí)對(duì)巷道頂板所處狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取相應(yīng)措施，否別會(huì)導(dǎo)致惡性頂板事故的發(fā)生。頂板離層指示儀就是用以測(cè)試錨桿長(zhǎng)度范圍及范圍外的頂板離層狀況的監(jiān)測(cè)儀器，用于判別錨桿支護(hù)參數(shù)是否合理，巷道服務(wù)期間頂板是否穩(wěn)定。如果離層指示儀讀數(shù)超過(guò)規(guī)定參數(shù)，可及時(shí)采取加固措施，避免頂板事故發(fā)生。離層指示儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果也可作為修改、完善錨桿支護(hù)初始數(shù)據(jù)的依據(jù)之一。近幾年來(lái)，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)在我國(guó)煤礦發(fā)展很快，生產(chǎn)實(shí)踐表明在回采巷道中合理采用錨桿支護(hù)技術(shù)具有支護(hù)效果好、成本低、有利于回采工作面快速推進(jìn)等突出優(yōu)點(diǎn)，可在短時(shí)期內(nèi)給煤礦帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)也存在著不容忽視的隱患，即煤巷頂板的破壞隱蔽性強(qiáng)，許多冒頂沒(méi)有明顯的預(yù)兆，而突發(fā)性冒頂會(huì)造成極為嚴(yán)重的危害。因此，對(duì)錨桿支護(hù)巷道進(jìn)行離層監(jiān)測(cè)掌握頂板離層的狀況，對(duì)及時(shí)采取相應(yīng)的措施。阻止頂板失穩(wěn)、避免突發(fā)性破壞的發(fā)生是至關(guān)重要的。2 頂板離層分析2.1 頂板離層的表現(xiàn)形式頂板離層系指巷道服務(wù)期內(nèi)頂板巖層中一點(diǎn)與其正上方一定深度巖層中某點(diǎn)的相對(duì)位移量。實(shí)際應(yīng)用中一般將頂板離層劃分為錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層和錨固范圍外頂板離層。從頂板離層的定義可以看出頂板離層與其字面含義是不同的，“頂板離層”字面理解為頂板巖層中各分層層面間的相對(duì)分離，可稱其為狹義頂板離層。廣義頂板離層有著更廣闊的內(nèi)含，它除包括狹義的“頂板離層”外，還包含頂板巖層彈塑性變形、擴(kuò)容變形、碎脹變形、折曲變形等。圖1 巷道頂板離層示意圖2.1.1 彈塑性變形井下巷道由于受到原始應(yīng)力的作用，開(kāi)掘前處于彈性壓縮狀態(tài)，開(kāi)挖后原始應(yīng)力平衡遭到破壞，一部分彈性能得以釋放，圍巖就會(huì)產(chǎn)生向巷道內(nèi)移進(jìn)的彈性變形。開(kāi)挖后的新應(yīng)力場(chǎng)在形成過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，一部分圍巖會(huì)受到超過(guò)屈服極限的應(yīng)力作用進(jìn)入塑性，而產(chǎn)生塑性變形。巷道的彈塑性位移主要取決于原巖應(yīng)力和圍巖的力學(xué)特征，一定的圍巖條件下，應(yīng)力增加，彈塑性變形量和塑性區(qū)半徑都有不同程度的增加。2.1.2 巖層擴(kuò)容擴(kuò)容是指巖層在剪切應(yīng)力的作用下體積膨脹的現(xiàn)象。試驗(yàn)研究表明，巖石的擴(kuò)容與其所受應(yīng)力偏量關(guān)系很大，頂板巖層的應(yīng)力偏量達(dá)到一定極限，就會(huì)發(fā)生擴(kuò)容現(xiàn)象，直觀表現(xiàn)為頂板離層。當(dāng)應(yīng)力偏量超過(guò)一定極限時(shí)，巖石就發(fā)生擴(kuò)容現(xiàn)象。應(yīng)力偏量繼續(xù)增加，則擴(kuò)容也隨之加大。當(dāng)巖石發(fā)生破壞之后，應(yīng)力雖然降低，但體積變形一直在增大，直至殘余強(qiáng)度。對(duì)于某些含有粘土類礦物(主要有高嶺石(Kaolinite)、蒙脫石(Montmorilonite)、伊利石(Illite)的巖石，遇水吸潮后會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起明顯變形。2.1.3 狹義頂板離層煤系地層呈明顯地層狀分布，并且多受節(jié)理裂隙切割，這在煤系地層的沉積和地質(zhì)變動(dòng)過(guò)程中即已形成。各分層及節(jié)理裂隙膠結(jié)程度低，力學(xué)性能差，是天然的力學(xué)弱面。巷道變形失穩(wěn)首先從這些弱面開(kāi)始，微觀表現(xiàn)為弱面間的滑動(dòng)和張開(kāi)，宏觀上就表現(xiàn)為巖層的折曲與位移。特別對(duì)于回采巷道頂板巖層，當(dāng)弱面張開(kāi)后，各層之間失去了力學(xué)聯(lián)系，由于巖層自重和水平力的擠壓作用，離層有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。狹義頂板離層在廣義離層中占有很大的比重，這在實(shí)際觀測(cè)中得到了證實(shí)。2.2 與頂板離層相關(guān)各因素分析2.2.1 地應(yīng)力地應(yīng)力是引起巷道圍巖變形和破壞的根本原因。隨著應(yīng)力的增加， 圍巖的彈性位移、塑性位移、擴(kuò)容位移都呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2.2.2 圍巖力學(xué)性質(zhì)圍巖力學(xué)特性對(duì)巷道穩(wěn)定性有重要影響。表征圍巖力學(xué)特性的物理量主要有：圍巖強(qiáng)度、彈性模量E、剪切模量G、內(nèi)摩擦角 、凝聚力c等圍巖力學(xué)指標(biāo)越高，巷道變形越小，巷道越穩(wěn)定。2.2.3 頂板巖層結(jié)構(gòu)煤層巷道圍巖一般呈層狀分布，并且不同程度地受節(jié)理 裂隙切割。巷道頂板巖層各分層的巖性、厚度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度 對(duì)頂板穩(wěn)定影響極大。在巷道頂板巖性一定的情況下，分層厚度、節(jié)理裂隙間距越大，巷道頂板穩(wěn)定性越好，頂板離層值就越小。2.2.4 錨桿支護(hù)參數(shù)在一定的圍巖條件下錨桿的密度、直徑、長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度增加，錨桿預(yù)緊力加大，頂板下沉量都有不同程度的減小 在設(shè)計(jì)中要綜合考慮支護(hù)成本和支護(hù)效果。最大程度地滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙方面的要求。2.2.5 巷道斷面巷道斷面的大小和形狀也對(duì)巷道的穩(wěn)定有重要影響。巷道斷面尺寸愈大，愈不利于巷道的穩(wěn)定在各種形狀的斷面中，橢圓形巷道最穩(wěn)定，拱形次之，矩形巷道容易在周邊產(chǎn)生高集中應(yīng)力和拉應(yīng)力，穩(wěn)定性最差在一定地應(yīng)力條件下，巷道高寬比不同會(huì)在圍巖中產(chǎn)生不同的附加應(yīng)力，對(duì)巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對(duì)于橢圓形巷道，巷道的軸比(寬度b與高度a的比值)與側(cè)壓關(guān)系(水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值)相等即ba=l時(shí)，巷道最穩(wěn)定；當(dāng)ba時(shí)，對(duì)巷道穩(wěn)定不利；當(dāng)baS1S2S3 (S1、S2、S3分別為1 m測(cè)點(diǎn)，2m測(cè)點(diǎn)和3m測(cè)點(diǎn)的下沉量)所以在實(shí)際測(cè)量中，Ll、L2與L3的關(guān)系必然為L(zhǎng)l0，則說(shuō)明巷道頂板表面與測(cè)點(diǎn)1之間有離層出現(xiàn)，其差值即為離層量。如果：L2一Ll0，則說(shuō)明測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)1之間即1 m 點(diǎn)與2m 點(diǎn)之間有離層出現(xiàn)，其差值即為離層量，如果：L3一L20，則說(shuō)明2m測(cè)點(diǎn)與3m測(cè)點(diǎn)間有離層，其差值即為離層量。所以，通過(guò)以上計(jì)算，用L2是否大于0，判斷出頂板至1 m點(diǎn)間離層；L2一Ll是否大于0，判斷出1 m 點(diǎn)至2m點(diǎn)間離層量；L3一L2是否大于0，判斷出2m點(diǎn)到3m點(diǎn)間是否出現(xiàn)離層。3.2 頂板離層臨界值確定方法用巷道頂板離層指示儀可以測(cè)出每個(gè)測(cè)點(diǎn)處距巷道頂板不同深度的頂板離層量和所在位置，但1個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)出的結(jié)果只能說(shuō)明測(cè)點(diǎn)自身及其附近巷道頂板的離層情況，要想對(duì)整個(gè)巷道頂板的離層情況進(jìn)行監(jiān)控，則需在巷道內(nèi)每隔一定距離設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，這樣就由這些測(cè)點(diǎn)在所要監(jiān)測(cè)的巷道內(nèi)形成一條監(jiān)測(cè)線，定期對(duì)這些測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，就可以達(dá)到對(duì)整個(gè)巷道頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)目的。頂板離層量日常觀測(cè)成果整理比較簡(jiǎn)單，但如果測(cè)點(diǎn)較多，計(jì)算量大。主要是依靠頂板離層量危險(xiǎn)“臨界值”來(lái)判斷頂板是否有垮落的危險(xiǎn)。因此， 巷道頂板離層量的危險(xiǎn)臨界值確定是至關(guān)重要的。對(duì)每條巷道來(lái)說(shuō)，其巷道頂板離層量的危險(xiǎn)臨界值都應(yīng)有兩個(gè)， 即錨桿錨固范圍內(nèi)和錨固范圍外應(yīng)有不同的離層量危險(xiǎn)臨界值。錨桿錨固范圍內(nèi)離層量危險(xiǎn)臨界值應(yīng)根據(jù)錨桿有效伸長(zhǎng)量來(lái)確定，錨桿有效伸長(zhǎng)量即是錨固在巷道頂板上的錨桿在受拉作用時(shí)，其受拉力達(dá)到其設(shè)計(jì)拉拔力時(shí)的伸長(zhǎng)量， 危險(xiǎn)臨界值一般都小于或等于錨桿有效伸長(zhǎng)量。但：-經(jīng)過(guò)多條巷道觀測(cè)證明，錨桿錨固范圍內(nèi)實(shí)際頂離層遠(yuǎn)小于錨桿有效伸長(zhǎng)量。錨桿錨固范圍外項(xiàng)板離層臨界值雖然可以根據(jù)巖梁厚度、巷道寬度及巖層性質(zhì)來(lái)計(jì)算，但理論計(jì)算往往都是以巖梁為均質(zhì)體作為假設(shè)條件，而實(shí)際上巷道頂板巖性及節(jié)理裂隙發(fā)育程度都有很大的不確定性， 所以最好的確定辦法就是通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，特別是觀測(cè)到那些即將要冒落的頂板不同深度的離層量，所確定的離層臨界值才有說(shuō)服力。在實(shí)測(cè)中常用的方法是，當(dāng)實(shí)際發(fā)生了巷道頂板垮落現(xiàn)象時(shí)，則直接取此處頂板離層量作為預(yù)報(bào)危險(xiǎn)的臨界值，如果在所觀測(cè)巷道中沒(méi)有頂板垮現(xiàn)象發(fā)生同時(shí)也無(wú)類比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，則可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個(gè)量值較小的離層量作為準(zhǔn)臨界值，在觀測(cè)過(guò)程中逐步修正。如在觀測(cè)過(guò)程中實(shí)際頂板離層量沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)值且頂板也無(wú)危險(xiǎn)情況發(fā)生，則繼續(xù)使用預(yù)設(shè)值作為臨界值。如在觀測(cè)過(guò)程中實(shí)際頂板離層量達(dá)到或超過(guò)了預(yù)設(shè)臨界值，但巷道頂板沒(méi)有發(fā)生危險(xiǎn)的跡象，則可適當(dāng)加大預(yù)設(shè)臨界值，然后再繼續(xù)觀測(cè)和修正。已有的觀測(cè)結(jié)果可作為以后同類巷道觀測(cè)的準(zhǔn)臨界值，即當(dāng)以后在同類巷道中觀測(cè)時(shí)，可以用此次觀測(cè)沒(méi)有發(fā)生項(xiàng)板垮落危險(xiǎn)時(shí)最大離層量作為臨界值， 當(dāng)所觀測(cè)的巷道頂板離層量小于此值時(shí)，則不必修正，如果大于此值，但頂板完好，無(wú)危險(xiǎn)跡象，并能安全采過(guò)時(shí)，可將臨界值增大至所觀測(cè)到的離層量。3.3 錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件介紹錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，專業(yè)性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理勞動(dòng)強(qiáng)度大，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性強(qiáng)，為了及時(shí)掌握巷道或工作面礦山壓力狀況和變化情況，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理水平，我們針對(duì)工作面兩巷礦壓觀測(cè)，開(kāi)發(fā)了錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。3.3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為，在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的支持下，應(yīng)用Visual Basic6.0實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的的集中管理，包括表面位移，深部位移，頂板離層，頂?shù)装逡平?，錨固力等監(jiān)測(cè)參數(shù)的錄入，在系統(tǒng)中集成各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算方法， 實(shí)時(shí)管理巷道或工作面錨桿支護(hù)質(zhì)量，為礦山安全管理提供技術(shù)保障和決策。系統(tǒng)的主要功能包括：(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立礦井和巷道基本信息的錄入；(2)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)值的錄入；(3)表面位移，深部位移，項(xiàng)板離層，頂?shù)装逡平浚^固力等監(jiān)測(cè)參數(shù)的錄入，計(jì)算和實(shí)時(shí)更新；(4)位移曲線的繪制及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化；(5)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表及及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的匯總；(6)依據(jù)指標(biāo)值和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制定或修正巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案；(7)支護(hù)設(shè)計(jì)方案中各種工程圖件的預(yù)覽，打印和管理。3.3.2 系統(tǒng)使用文件操作菜單的基本功能包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建，打開(kāi)文件，文件輸出，磁盤輸出，關(guān)閉數(shù)據(jù)，文件備份，文件刪除和退出系統(tǒng)等功能。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建并打開(kāi)后即可輸入巷道基本信息和指標(biāo)數(shù)據(jù)，巷道斷面的形狀，寬度，高度，凈斷面積，現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)，錨桿的長(zhǎng)度，直徑，間排距，巷道圍巖的狀況，直接項(xiàng)，老頂，兩幫的巖性和厚度。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)之前， 根據(jù)理論計(jì)算可以初步確定理想狀態(tài)下各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括表面位移，深部位移，頂板離層和錨固力的指標(biāo)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入與計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括表面位移，深部位移，頂板離層和錨固力，每天將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)資料，點(diǎn)擊”開(kāi)始計(jì)算”命令，系統(tǒng)將分別計(jì)算出需要的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程的可視化， 可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制位移曲線，以各測(cè)站為橫坐標(biāo)，分別以1m測(cè)點(diǎn)，2 m 測(cè)點(diǎn)和3 m 測(cè)點(diǎn)為縱坐標(biāo)繪制頂板離層變化曲線，表面位移， 深部位移和錨固力曲線同樣也可以繪制。在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，確定錨桿的最終設(shè)計(jì)方案、支護(hù)方案表現(xiàn)為矢量形式存在的工程圖件，工程圖件管理器能對(duì)工程圖件進(jìn)行管理，包括圖件的復(fù)制，粘貼，刪除，預(yù)覽和打印。4 頂板離層指示儀的原理及其安裝4.1 工作原理在測(cè)量頂板離層的過(guò)程中，由于在采場(chǎng)或巷道內(nèi)部都找不到一個(gè)不動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，使得對(duì)頂板移動(dòng)、變形的測(cè)量沒(méi)有參照物。本儀器將深基點(diǎn)設(shè)在頂板上部6.10m的穩(wěn)定巖層內(nèi)，確保所測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。本儀器一個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)兩個(gè)基點(diǎn)，一個(gè)是深基點(diǎn)固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，根據(jù)要求確定其深度，最大深度為10m。另一個(gè)為淺基點(diǎn)，也是根據(jù)要求確定其深度，在錨桿支護(hù)巷道中通常設(shè)置在錨桿的錨固端。兩基點(diǎn)分別有兩個(gè)相同的測(cè)量機(jī)構(gòu)，互相獨(dú)立。4.2 頂板離層指示儀的構(gòu)成頂板離層指示儀一般由三部分組成；即孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器、位移傳動(dòng)器及孔口測(cè)讀器。4.2.1 孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器頂板離層指示儀所用孔測(cè)點(diǎn)固定器，內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器由彈簧鋼絲、不銹鋼管及環(huán)形圈加工而成。如圖4所示。我們對(duì)這種孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器分別在實(shí)驗(yàn)室及礦井下對(duì)其錨固力進(jìn)行了測(cè)試，作用力均在100 N以上，完全能滿足生產(chǎn)要求。4.2.2 位移傳動(dòng)器要使孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)的位移傳遞到孔口，需在孔口與測(cè)點(diǎn)之間布置合適的位移傳動(dòng)器。位移傳動(dòng)器的選用需滿足如下要求：(1)便于安裝和測(cè)試；(2)長(zhǎng)期使用其自身變形?。?3)能適用于井下潮濕環(huán)境而不會(huì)銹斷。位移傳動(dòng)器可用圓管、鋼絲或鋼絲繩等材料，頂板離層指示儀一般選用直徑為10 mm 的不銹鋼鋼絲繩，其各項(xiàng)性能均能滿足要求。4.2.3 孔口位移測(cè)讀器孔口位移測(cè)讀器是頂板離層指示儀的主要部分，由它測(cè)讀出離層范圍和離層量。頂板離層指示儀的孔口位移測(cè)讀器由直徑、長(zhǎng)度各不相同的4根不銹鋼圓管及兩根彈簧組成，如圖5所示。圖5 孔口位移測(cè)讀器圖中1、2、3、4均為不銹鋼圓管。其中管1與管4間通過(guò)螺絲固定在一起，不能發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。管2與管4及管3與管4間由拉壓彈簧相連接，彈簧的作用力使管2、管3向右移動(dòng)。因此，只有在外界拉力的作用下，管2、管3與管4間才能發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。在管3、管4的右端均標(biāo)有由綠黃紅3種顏色組成的熒光標(biāo)志層，在標(biāo)志層外面還標(biāo)有以毫米為單位的刻度尺。DLZ一2型頂板離層指示儀如圖6所示。圖6 DLZ-2型頂板離層指示儀4.3 頂板離層指示儀的安裝與監(jiān)測(cè)4.3.1 頂板離層指示儀的安裝(1)在巷道頂板垂直打 2832 mm 的鉆孔，直至打到老頂。(2)將帶有不銹鋼鋼絲的孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器，用安裝管推到孔底。而后抽回安裝管，再將另一個(gè)帶有不銹鋼鋼絲的孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器推到2 m 左右的深度，其準(zhǔn)確位置根據(jù)實(shí)際情況而定。(3)將不銹鋼鋼絲穿過(guò)孔1:1位移測(cè)讀器的管1后，將孔1:1位移測(cè)讀器固定在鉆孔孔1:1上。如孔1:1直徑大于管1直徑，則在孔壁墊上木板片，使孔1:1位移測(cè)讀器能夠牢固地固定住。(4)將不銹鋼鋼絲拉緊后分別固定在孔I：1位移測(cè)讀器的管2、管3上。連接深部孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器的鋼絲與管2相連，連接淺部孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)固定器的鋼絲與管3相連。管2與管3及管3與管4的端頭相互要有分離，使不銹鋼鋼絲在彈簧力(20N左右)的作用下一開(kāi)始就處在拉直狀態(tài)。DLZ一2型頂板離層指示儀具體安裝見(jiàn)圖7所示。圖7 DLZ-2型頂板離層指示儀安裝圖4.3.2 DLZ一2型頂板離層指示儀的監(jiān)測(cè)方法頂板離層指示儀安裝后，要定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象要及時(shí)采取措施?？?：1位移測(cè)讀器上所顯示的顏色，反映頂板離層的范圍及所處的狀態(tài)。綠色表示安全，黃色表示警告，紅色表示危險(xiǎn)；孔I：1位移測(cè)讀器上顯示數(shù)值，表示離層量大小。管4顯示數(shù)值表示錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)頂板離層量；管3顯示數(shù)值表示老頂與錨桿末端范圍內(nèi)頂板離層量。4.4 頂板離層儀在錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化中應(yīng)用4.4.1 基本思想錨桿的錨固效果是錨桿與圍巖共同作用的結(jié)果,因此,錨固效果并不取決于錨桿的長(zhǎng)短。一方面錨桿過(guò)短時(shí),很可能出現(xiàn)錨桿不能錨入硬巖內(nèi),當(dāng)錨桿錨入巖性較弱或完整性較差的巖層時(shí),錨桿孔周圍的集中應(yīng)力很容易使錨固端圍巖破碎,從而使得錨固效果大幅度降低;另一方面,當(dāng)錨桿過(guò)長(zhǎng)時(shí)也很有可能出現(xiàn)錨入巖性較弱或完整性較差的巖層內(nèi)。因此,在考慮使用頂板離層指示儀來(lái)優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)時(shí),最基本的考慮就是,如何通過(guò)頂板離層指示儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)判別出一層深度合適的,巖性和完整性較好的巖層。然后使用與該巖層位置相協(xié)調(diào)的錨桿進(jìn)行支護(hù),以期達(dá)到提高錨固效果的目的。4.4.2 巖層性狀判別的原理及方法巖層性狀的判別是通過(guò)頂板離層監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的,而頂板離層監(jiān)測(cè)是通過(guò)在巷道頂板安裝頂板離層指示儀實(shí)現(xiàn)的。圖1所示為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要改造過(guò)的漲殼式塑料錨頭頂板離層指示儀。此頂板離層儀監(jiān)測(cè)深為2. 3m ,每0. 5m設(shè)1測(cè)點(diǎn),這種頂板離層指示儀具有安裝方便、操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。具體安裝方法為,在巷道的頂板中央,向上垂直于頂板鉆一個(gè)直徑42mm ,深2300mm 鉆孔,然后用專用安裝裝置將測(cè)點(diǎn)分別固定于孔中2. 3m ,1. 8m和l . 3m 深處,每點(diǎn)都用測(cè)桿引出至孔口處,外露長(zhǎng)180200 mm ,每點(diǎn)間要用隔離架將測(cè)點(diǎn)分開(kāi),在孔口處安裝一測(cè)點(diǎn)引出套。由于套和巷道頂板表面同時(shí)運(yùn)動(dòng),因而引出套的下平面即作為測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)。 以SMLC - 3 型離層指示儀為例,最大測(cè)深2. 3m ,共有3個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別固定在鉆孔的1. 3m,1. 8m和2. 3m深處,所以利用觀測(cè)數(shù)據(jù)可判斷出1. 3m測(cè)點(diǎn),1. 8m 測(cè)點(diǎn),和2. 3m 測(cè)點(diǎn)之間哪一段發(fā)生了離層及其大小。然后將測(cè)得的離層量與國(guó)內(nèi)公認(rèn)的頂板離層臨界值L 30 mm相比較,判別測(cè)點(diǎn)巖層性狀是否有顯著的差異。從圖3 中可見(jiàn)，頂板離層指示儀安裝完畢后，測(cè)點(diǎn)引出套下口到各測(cè)點(diǎn)的距離L1、L2、L3是定值，當(dāng)巷道頂板出現(xiàn)下沉?xí)r，如頂板各層的下沉量不一致時(shí),則到各測(cè)點(diǎn)之間距離就會(huì)伸長(zhǎng)，即L1、L2、L3值增大，其增大值即為兩點(diǎn)間巖層的離層量。由于L1、L2、L3不能直接量取，所以在實(shí)際測(cè)量中由測(cè)桿引出頭到引出套下口間的距離、和的變化來(lái)反映L1、L2、L3的伸長(zhǎng)量。如想求巷道頂板點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)1的離層量L1，則L1 = L1-L1即為兩次測(cè)量時(shí)間段內(nèi)巷道頂板表面至1. 3m 測(cè)點(diǎn)間L1的伸長(zhǎng)量。則l2 = l2 - l2為頂板至1. 8m 測(cè)點(diǎn)間L2的伸長(zhǎng)量，L3 =L3 - L3為頂板表面至2. 3m 測(cè)點(diǎn)間的L3伸長(zhǎng)量。Li的變化量只能反映出巷道頂板表面分別與1. 3m測(cè)點(diǎn)間、1. 8m測(cè)點(diǎn)間和2. 3m測(cè)點(diǎn)間的變化量，要想得到具體離層地點(diǎn)和離層量, 還需經(jīng)計(jì)算判斷出。由于頂板在實(shí)際下沉中，頂板表面點(diǎn)與其深部各測(cè)點(diǎn)下沉量的關(guān)系為S S1 S2 S3 (S1 、S2 、S3分別為1. 3m測(cè)點(diǎn)、1. 8 m測(cè)點(diǎn)、2. 3m測(cè)點(diǎn)的下沉量)，所以在實(shí)際測(cè)量中的關(guān)系必然為L(zhǎng)1 L2 L3。如0 L1 L , 則說(shuō)明1. 3m與頂板表面之間有離層出現(xiàn)，但并不是顯著離層，即兩點(diǎn)處的巖層性狀沒(méi)有顯著差異；如l1EL，則說(shuō)明兩處的巖層性狀有顯著差異。如0 L2 - L1 L，則說(shuō)明測(cè)點(diǎn)2與1之間,即1. 3m點(diǎn)與1. 8m點(diǎn)之間有離層出現(xiàn), 但并不是顯著離層, 即兩點(diǎn)處巖層性狀沒(méi)有顯著差異;如L2 - L1 L，則說(shuō)明1. 3m點(diǎn)與1. 8m點(diǎn)之間有顯著離層,即兩點(diǎn)處巖層性狀有顯著差異,且1.8m處巖層性狀好于1. 3m處巖層性狀。如0 L3 - L2 L，則說(shuō)明測(cè)點(diǎn)3與2 間即1. 8m點(diǎn)與2. 3m點(diǎn)之間有離層出現(xiàn)，但并不是顯著離層, 即兩點(diǎn)處巖層性狀沒(méi)有顯著差異; 如L3- L2 L ,則說(shuō)明2. 3 m 與1. 8 m 點(diǎn)之間有顯著離層,即兩點(diǎn)處巖層性狀有顯著差異,且1. 8 m 處巖層性狀好于1. 3 m處巖層性狀。所以,通過(guò)以上計(jì)算,用L2 - L1 是否大于等于頂板離層臨界值L 30 mm ,判斷出1. 3 m 點(diǎn)與1. 8 m 點(diǎn)處巖層性狀是否有顯著差異;用l3 - l2 是否大于等于L30 mm ,判斷出1. 8 m 點(diǎn)與2. 3 m 點(diǎn)處巖層性狀是否有顯著差異2 。通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)巖層性狀顯著差異性的判別選擇出最好的巖層性狀作為錨桿錨固端錨固的巖層,然后選擇與選定巖層相協(xié)調(diào)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行支護(hù)。4.4.3 工程應(yīng)用實(shí)例(1) 試驗(yàn)巷道支護(hù)參數(shù)、材料規(guī)格試驗(yàn)地點(diǎn)位于車集煤礦2301 面下巷。巷道斷面為矩形,高寬= 2500 2600 mm。巷道全斷面掛網(wǎng),頂板支護(hù)采用18 1800 mm 普通錨桿,每排四根,錨桿間排距為800 800 mm ,鋼板網(wǎng)規(guī)格:1000 2000 mm。(2) 試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)結(jié)果:試驗(yàn)采用SMLC - 3 型離層指示儀,表中位移量為各點(diǎn)相對(duì)于引出套下平面,即巷道頂板表面的位移量。試驗(yàn)結(jié)果如表1 和圖8。 圖8 相對(duì)位移隨時(shí)間變化曲線試驗(yàn)結(jié)果分析:從表1 和圖3 中的第31 天的測(cè)量和計(jì)算值我們可以得出以下三個(gè)關(guān)系式:l1 - l0 = 13 mm L (1)l2 - l1 = 17 mm L (3)L 30 mm由(13) 三個(gè)關(guān)系式可得出以下分析:測(cè)點(diǎn)1、2 和基點(diǎn)三處的巖層性狀沒(méi)有顯著的差異,同時(shí)也說(shuō)明錨桿起到一定的錨固作用,但是由(3) 式又可以看出錨桿的錨固段并沒(méi)有錨固到堅(jiān)硬的巖層上。同時(shí)(3) 式也說(shuō)明了測(cè)點(diǎn)3 處的巖層性狀遠(yuǎn)好于測(cè)點(diǎn)1、2 處的巖層性狀,尤其是在測(cè)點(diǎn)1、2 兩處的巖層在受到錨桿的組合作用之后其抵抗自重應(yīng)力和水平應(yīng)力的彎曲變形破壞的能力仍不及測(cè)點(diǎn)3 處的巖層。一方面說(shuō)明測(cè)點(diǎn)1 和2 處的巖層性狀本身很差在受到錨桿組合作用后仍較差;另一方面也說(shuō)明測(cè)點(diǎn)3 處巖層性狀較好。因此,根據(jù)判斷對(duì)