礦山壓力觀測與控制學習情境2-巷道礦山壓力觀測與分析

煤礦巷道按其空間形態(tài)可分為水平巷道、垂直巷道和傾斜巷道；按其所處的位置及服務范圍可分為開拓巷道、準備巷道和回采巷道(后文中將準備巷道和回采巷道統(tǒng)稱為采準巷道)。學習情境2巷道礦山壓力觀測與分析1任務1巷道圍巖表面位移測量巷道表面位移測量包括兩幫收斂、頂板下沉及底臌的測量等。根據(jù)測量結(jié)果，可以分析巷道周邊相對位移變化速度、變化量，以及它們與工作面位置及掘進巷道時間的關系，也可以得到巷道周邊的最終位移，從而判斷支護效果和圍巖的穩(wěn)定狀況，為完善支護參數(shù)提供依據(jù)。21.1測站布置及測點安設1.1.1測站布置1.1.2測點安設1)測點安設要求2)測點安設方法3)測點的布置方式(1)垂直布置(2)十字布置(3)網(wǎng)格布置(4)扇形布置(5)雙十字布置3圖2-1測點安設4圖2-2測點的布置方式51.2觀測儀器與使用方法1)測桿2)測槍3)JSS30/10型伸縮式數(shù)顯收斂計(1)結(jié)構及工作原理(2)主要技術參數(shù)(3)使用方法6

4)GCL—1型超聲波斷面測量儀(1)結(jié)構及工作原理(2)主要技術參數(shù)(3)使用方法5)采用傳感器測量法7圖2-3

ADL—2.5結(jié)構示意圖8圖2-4

D—Ⅱ型自動記錄器結(jié)構圖9圖2-5

BHS—10型測槍結(jié)構圖10圖2-6收斂計結(jié)構圖11圖2-7GCL—1型超聲波斷面測量儀圖12圖2-8多角形變位移觀測13任務2巷道圍巖深部位移測量為了探明巷道圍巖深部的穩(wěn)定狀況，進一步研究支架與圍巖的相互作用關系，不僅需要測量支護空間產(chǎn)生相對位移或空間斷面的變形，而且還需對圍巖深部巖體的破壞和位移變化進行觀測。14圖2-9巷道圍巖深部變形位移觀測152.1機械式多點位移計

2.1.1機械式多點位移計結(jié)構2.1.2數(shù)據(jù)處理1)計算圍巖絕對位移2)判斷圍巖破碎區(qū)范圍16圖2-10機械式鉆孔多點位移計17圖2-11圍巖內(nèi)部絕對位移測量18圖2-12圍巖位移曲線19圖2-13磁性測點鉆孔位移計2.2磁性測點鉆孔位移計

為了滿足測量的需要，在機械式多點位移機的基礎上，中國礦業(yè)大學研制出了磁性測點鉆孔位移計，其結(jié)構如圖2-13所示。202.3聲波多點位移計2.3.1基本結(jié)構及工作原理①磁性錨固頭。②導向管。③聲波導線探頭。④聲波測讀儀。⑤磁性錨固頭安裝管。2.3.2安裝與使用21圖2-14磁性錨固頭22圖2-15磁性錨固頭安裝深度桿23任務3巷道支護體載荷與變形觀測

3.1支撐式支架外部載荷觀測3.1.1機械式測力計3.1.2液壓式測力計1)壓力表2)液壓測力計(1)HC型液壓測力計(2)ZHC型鉆孔油枕應力計3.1.3振弦式礦壓觀測儀器1)鋼弦壓力盒的工作原理2)鋼弦頻率接收儀24圖2-16

ADJ型測力計25圖2-17

NN—ZY指示器結(jié)構圖26圖2-18

ADJ型測力計標定曲線27圖2-19

HC型液壓測力計28圖2-20

ZHC型鉆孔油枕應力計結(jié)構圖29圖2-21注油閥結(jié)構示意圖30圖2-22

GH—50型鋼弦壓力盒結(jié)構示意圖31圖2-23

GSJ—1型頻率計工作原理框圖3233343536373.1.4觀測儀器的安設1)拱形巷道測力計布置及安設2)梯形或矩形巷道支架測力計的布置及安裝3.1.5觀測要求及方法3.1.6巷道支架變形觀測1)支架承載后變形破壞的統(tǒng)計分析382)巷道支架變形觀測(1)測點布置(2)測量方法3)支架承載后可縮量的測量4)觀測數(shù)據(jù)的整理與分析(1)觀測資料的整理(2)資料分析39圖2-24測力計布置及安裝40圖2-25拱形巷道支架變形測點布置41圖2-26支架變形實測圖423.2支架構件內(nèi)力的測定

由于支架承受外載會引起其構件內(nèi)力產(chǎn)生變化，故測定這種內(nèi)力變化可以知道支架工作狀態(tài)及承載能力。但此種反推法并不是唯一的方法。測量支架構件內(nèi)力，主要是通過測量構件應變大小，目前主要應用電阻應變片和光彈應變片的方法。43圖2-27電阻應變片結(jié)構示意圖443.3錨桿(索)支護監(jiān)測3.3.1錨桿受力監(jiān)測1)測力錨桿的結(jié)構2)測力錨桿工作原理453)測力錨桿的制作(1)螺紋鋼桿體加工(2)電阻應變片的選擇與粘貼(3)引出導線的焊接與固定(4)測力錨桿的標定4)測力錨桿的安裝與測試5)數(shù)據(jù)處理方法(1)計算測力錨桿各測點應力(2)計算平均軸向應力(3)計算測力錨桿的彎矩分布46圖2-28測力錨桿結(jié)構圖47圖2-29桿體斷面圖48圖2-30應變片布置圖49圖2-31多通道轉(zhuǎn)換開關50圖2-32測力錨桿工作原理圖51圖2-33應變片測試導線引出圖52圖2-34測力錨桿標定曲線53圖2-35測力錨桿安裝方向543.3.2巷道圍巖變形監(jiān)測3.3.3頂板離層監(jiān)測1)機械式頂板離層指示儀(1)結(jié)構(2)頂板離層指示儀的安裝與使用552)聲光報警式頂板離層指示儀(1)儀器的主要特點(2)儀器結(jié)構及工作原理(3)儀器的安裝與使用3)在線監(jiān)測式頂板離層指示儀(1)系統(tǒng)特點(2)傳感器結(jié)構(3)技術參數(shù)(4)離層監(jiān)測傳感器的安裝56圖2-36孔口測讀裝置57圖2-37頂板離層指示儀58圖2-38頂板離層指示儀的安設位置59圖2-39指示儀孔口測讀裝置連接圖60圖2-40

LBY—1型頂板離層指示儀61圖2-41

LBY—1型頂板離層指示儀安裝圖62圖2-42離層監(jiān)測傳感器結(jié)構圖63圖2-43離層傳感器安裝示意圖643.3.4錨桿錨固力監(jiān)測1)MLJ—10型錨桿拉力計(1)工作原理(2)主要技術參數(shù)(3)錨桿拉力計的使用2)ML—10型錨桿拉力計(1)結(jié)構與工作原理(2)技術特征(3)操作注意事項3)ML—20型錨桿拉力計4)MJY—300／80型錨桿拉拔計5)MYJ—10型錨桿液壓枕(錨桿測力計)

65圖2-44

MLJ—10型錨桿拉力計示意圖66圖2-45

ML—10型錨桿拉力計67圖2-46錨桿液壓枕683.3.5噴層應力監(jiān)測3.3.6煤巷預應力支護監(jiān)測技術3.3.7表面位移測量3.3.8監(jiān)測信息反饋及處理69圖2-47光導纖維鉆孔窺視儀70任務4巷道圍巖應力觀測

巷道圍巖發(fā)生變形、位移和破壞是巖體內(nèi)應力作用的結(jié)果。巖體內(nèi)的應力狀態(tài)十分復雜，包括上覆巖層的自重應力、地質(zhì)構造殘余應力、水壓力及瓦斯壓力等。巷道開掘后，引起附近圍巖內(nèi)應力重新分布，其分布狀況和開采技術條件及巖體物理力學性質(zhì)密切相關。在進行巷道圍巖穩(wěn)定性分析時，了解巖體內(nèi)應力的大小、方向、分布狀態(tài)及其變化規(guī)律是十分重要的。近60年來，國內(nèi)外對巖體應力的測量方法和手段，進行了許多研究。實際上，存在的巖體應力狀態(tài)是較復雜的三維應力，為了簡化測量方法，通常只測一個平面兩個方向主應力相方向角，如圖2-48所示。71圖2-48簡化測平面應力724.1地應力測量方法

4.1.1應力恢復法4.1.2水壓致裂法1)測量原理2)測量方法3)適用及優(yōu)點4.1.3聲發(fā)射法1)測試原理2)測試步驟(1)試件制備(2)聲發(fā)射測試(3)計算地應力

73圖2-49扁千斤頂應力測量示意圖74圖2-50水壓致裂應力測量原理75圖2-51測試系統(tǒng)示意圖76圖2-52水壓致裂法試驗壓力—時間、流量—時間曲線圖77圖2-53聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)框圖78圖2-54應力—聲發(fā)射事件試驗曲線圖794.1.4應力解除法1)應力解除的基本原理2)孔底應力解除法3)巖體表面應力解除法4)鉆孔應力解除法804.2測點的選擇

測點的位置應盡量選擇在巷道的中部或工作面上，避開巷道、硐室交叉部位的應力集中區(qū)。在構造部位的選擇上，除特殊要求外，一般要遠離斷層。在巖石條件方面，應盡量選擇節(jié)理、裂隙不發(fā)育或膠結(jié)較好的厚層巖石。測點要盡量均勻、有代表性，同時又便于施工。81圖2-55孔底應力解除法實施步驟82圖2-56巖體表面應力解除法應力測量83圖2-57鉆孔應力解除法測量步驟84任務5巷道圍巖松動圈的測定

巷道圍巖松動圈是巷道圍巖應力超過巖體強度之后而在巷道周邊形成的破裂帶，其物理狀態(tài)表現(xiàn)為破裂縫的增加及巖體應力水平的降低。松動圈測試就是檢測開巷后新的破壞裂縫及其分布范圍，圍巖中有新破裂縫與沒有破裂縫的界面位置就是松動圈的邊界?；谒蓜尤y試的檢測原理，相應的測試方法很多，有鉆孔潛望鏡法、鉆孔攝影法、鉆孔電視法、形變—電阻率法、聲波測試法、滲流法、深基點位移計測量法、地震聲學和超聲測井法等。其中較為簡便的是超聲測井探測法和槽波地震聲學法。855.1超聲波測井探測法5.1.1超聲波測井探測法工作原理5.1.2BA—Ⅱ型圍巖松動圈測試儀5.1.3松動圈測試5.1.4典型測孔曲線分析

86圖2-58超聲波縱波速度分布曲線87圖2-59雙孔測試示意圖88圖2-60單孔測試工作原理示意圖89圖2-61

BA—Ⅱ型儀器工作原理示意圖90圖2-62松動圈測站布設示意圖91圖2-63標準的松動圈測孔曲線92圖2-64帶有異常點的測孔曲線93圖2-65近水平曲線的分析945.2深基點位移計觀測方法

松動圈內(nèi)巖石由于破裂縫的產(chǎn)生與擴展，其碎脹變形較深部未松動圍巖要大，通過在鉆孔中不同深度安設圍巖內(nèi)位移測點，觀測圍巖內(nèi)位移交化趨勢，變形速度及變形量突然增大的區(qū)域即為松動圈邊界，見圖2-66。95圖2-66根據(jù)深基點位移計測定松動圈965.3巷道礦壓資料分析實例

5.3.1地質(zhì)條件5.3.2觀測的主要內(nèi)容5.3.3觀測方法1)測站布置2)觀測基點布置975.3.4分析方法和結(jié)論1)巷道表面位移分析(1)沿走向變化可分為3個變化階段(2)不同部位圍巖變化特征2)巷道深部圍巖位移分析(1)沿走向(2)沿傾向(3)不同部位圍巖的變化特征3)錨桿(索)受力分析(1)錨桿力變化規(guī)律(2)錨索力變化規(guī)律9899圖2-67煤層柱狀圖100圖2-68風巷測站布置位置圖101圖2-69觀測斷面基點布置示意圖102圖2-70表面位移變化曲線103圖2-71