前言

 

　　煤巷锚杆支护设计方法的选择，对于巷道支护效果、井下的正常生产和工人的人身安全都起着非常重要的作用。设计方案是否科学，直接关系到巷道支护质量、巷道顶板安全，也直接影响支护的经济合理性。全线跟踪设计方法是一种新的煤巷锚杆支护方法，设计的核心是锚杆钻机在施工顶板钻孔时，通过锚杆钻机的钻速、推力、风压等因素，进行顶板岩层结构与性质的识别，根据识别结果.进行支护参数的实时设计。为了将冒顶事故降到最低，在监测方面采用独立开发的顶板微变形监测，将监测结果进行数学处理，预测支护后顶板危险区域，进行锚索补强。

 

　　1在煤巷锚杆支护设计方法上存在的弊端

 

　　目前，煤巷锚杆支护设计主要以应用工程类比与理论分析相结合的方法确定锚杆支护参数，并应用理论方法再进行校核。运用这种设计方法进行的锚杆参数设计存在如下问题。

 

　　（1）煤巷长度一般为500—2000m，地质条件复杂、多变，具有不确定性，设计前还存在一些未探明的小褶曲、断层和高应力区，用于设计的基础参数是巷道周围某几个点（甚至仅一个点）的综合地质技术资料的平均值，设计出的锚杆参数为整条巷道的设计依据，针对性不强。

 

　　（2）依据的基础性参数缺乏定量化评价指标，导致锚杆支护参数设计缺乏科学、合理和确定性。

 

　　（3）巷道绝大部分区域设计的锚杆参数过高，不仅浪费了大量材料，增加了支护成本；也降低了巷道的掘进速度，又使巷道的局部地质技术条件变化区域，设计的锚杆支护参数不足，引发局部冒顶事故。

 

　　（4）支护效果监测采用传统的顶板离层仪和多点位移计。主要表现为巷道整个服务期间都在一定位置监测，而且测站的位置也比较少，与巷道顶板岩层的变化不适应。

 

　　全线跟踪设计方法实现对将要掘进巷道支护参数进行全线动态跟踪设计，选取和量化关键指标。支护前期通过锚杆钻机的钻孔，进行顶板岩层结构的探测，通过锚杆钻机的钻速、风压、推力，进行顶板岩层结构的识别；支护后期为了提高顶板的安全性，找到存在冒顶危险的区域。方法是采用能够测量顶板微小变形的仪器，它能够安装到顶板锚杆上，监测锚固范围的顶板的岩层变形情况，通过对顶板位移的实时观测，预测顶板危险区域。

 

　　3全线跟踪设计方法的主要内容

 

　　3.1地质力学评估

 

　　巷道地质条件复杂多变，即使同类岩层，因受埋深、原岩应力矢量、节理裂隙分布以及赋存时间等因素的影响，其力学参数的离散性也较大。地质力学讦估主要包括：松动圈测试、地应力测量、顶底板岩石物理力学试验。其中，松动圈能够反应巷道围岩的变形与破坏情况，预测巷道围岩破碎区域，为锚杆支护参数提供依据。地应力大小和方向，对巷道的合理布置和支护方式的选择至关重要，它是进行地质力学参数评估的重要一项，同时也是数值模拟分析的重要参数之一。地应力测量的方法，一般采用应力解除法。顶底板力学试验主要是在实验室利用伺服试验机，将现场采集的试件进行试验（包括三轴和单轴），取得相关的岩石力学参数。利用围岩分类方法，将地质力学参数归结为一个统一指标，即“岩体工程质量指标”，对其进行分级，作为数值模拟的基础数据。

 

　　3.2数值模拟分析与初始方案确定

 

　　将采集的数据（包括松动圈大小、地应力大小、顶底板力学参数）作为数值模拟的基础数据。数值模拟软件采用美国明尼苏达大学开发的FLAC有限差分计算程序，这种方法适用于岩石力学的非线性大变形或不稳定（如滑动或分离）问题，其计算模型网格能以大应变模式变形并随材料流动。通过对多个方案的数值模拟分析，得到相对最佳的支护方案。这项支护方案主要是将现场的锚杆材料（如锚杆的长度、直径）提供大致的参考范围。

 

　　3.3顶板岩层结构的探测与参数调整

 

　　顶板的岩层组合“劣化”是产生巷道顶板冒落的重要原因。这是指顶板岩层组合由稳定型向非稳定型转变，而导致巷道冒顶的顶板岩层组合。所以，为了解决这个问题，研究了顶板岩层结构探测仪，通过对锚杆钻机钻进特性（包括钻速、风压、推力等参数）的连续监测，采用人工神经网络方法实现对岩层结构的识别，预测冒顶隐患区域，实时调整支护参数。

 

　　3.4顶板微变形监测与危险区域预测

 

　　支护后的顶板由于受断层、裂隙、岩层结构、应力分布等因素的影响，都会有不同程度的冒顶危险。直观反应到顶板的特征为变形，而且随着时间的延长，顶板的变形会扩展，围岩的破坏由表面向内部发展，最终导致冒顶；所以，顶板的初始变形的规律至关重要，它能够反应破坏的趋势。以往的观测数据，只停留在简单的位移上，虽然能够反应某点或几点的变化，但是覆盖的位置很小，所以全线跟踪的监测顶板变形的方法就应运而生。

 

　　3.5采取的措施

 

　　采取的措施主要包括支护后巷道与支护前巷道。支护后巷道通过独立研制的微变形监测仪进行顶板微变形趋势的全程监测，得出顶板变形随巷道长度及支护时间的关系。通过数学处理与模式识别技术预测顶板危险区域。对于待支护巷道（主要是掘进断面）参数设计，根据顶板微变形监测预测前方的结果和顶板岩层结构探测仪的探测结果综合分析，确定合理的锚杆参数。

 

　　4结束语

 

　　全线跟踪煤巷锚杆支护设计，克服了传统设计方法的缺点，真正做到了实时设计支护参数，及时进行跟踪监测，巷道的每处基础数据力求做到贴近实际。利用微变形监测仪测量顶板锚固区围岩微变形量，与其它监测方法相比，具有周期短、密度大、精度高等优点。通过观测结果分析，观测效果较好，利用此观测数据进行的参数修改比较合理。