劉 遠

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西延安 716000)

0 引言

隨著經(jīng)濟和采礦技術的不斷發(fā)展，當前我國正在逐漸擴大開采礦山的規(guī)模，提高開采強度，礦物開采設備逐漸向大型化發(fā)展[1-3]。由于礦區(qū)段輔助運輸巷穩(wěn)定性較差，導致巷道圍巖出現(xiàn)較為嚴重地變形，使得礦區(qū)段輔助運輸巷巷道支護較為艱難[4]。因此，為了保障采礦工程的安全性，需要對煤層巷道錨桿錨索支護體系的變形情況進行監(jiān)測。

近幾年頻發(fā)的煤礦安全事故，引起了社會各界的關注，相關研究人員針對支護體系安全問題提出了相應的解決辦法，其中，王峰[5]等人主要面向砂卵石深基坑圍護結構提出了一種變形監(jiān)測方法，該方法在砂卵石條件下，通過分析得到了圍護樁水平位移的時空變化規(guī)律，并通過構建有限元模型，對樁體水平位移進行計算，獲取具體的變形數(shù)據(jù)。實驗結果表明，圍護結構體系可以有效控制樁體的水平位移程度，但是其計算結果仍與實際結果存在一定的差距。楊暉[6]提出一種基坑樁錨支護結構變形監(jiān)測方法，該方法采用FLAC3D與蠕變模型模擬圍護結構體系，并計算土體重度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角等數(shù)據(jù)，參照歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)對圍護結構變形的監(jiān)測。實驗結果表明，該方法具有計算步驟簡單的優(yōu)勢，但是由于沒有考慮到振動、土體變化等因素對支護結構穩(wěn)定性的影響，導致監(jiān)測結果不具備可靠性。金生吉[7]等提出一種公路隧道深基坑圍護樁受力與變形監(jiān)測方法，該方法以圍護樁受力情況計算結果為基礎，運用測斜儀對圍護樁的水平位移進行監(jiān)測。根據(jù)實驗結果得出，在完成基坑底板澆筑后，圍護樁變形不會產(chǎn)生較大波動。雖然該方法可以描述形變特點，但是監(jiān)測結果的科學性還有待提升。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn)，當前大部分學者提出的監(jiān)測方法能夠實現(xiàn)對結構變形的監(jiān)測，但是監(jiān)測結果的可靠性不高，礦區(qū)段煤層巷道仍然具有安全隱患。因此，本文設計一種新的煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法，實現(xiàn)對支護體系的有效監(jiān)控，保障采礦工作平穩(wěn)運行。

1 煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法

1.1 錨桿錨索支護體系工作機理與形變分析

圍巖擴容變形和破壞由滑動、離層和裂隙張開等因素導致，為了抑制圍巖出現(xiàn)拉伸、剪切破壞和變形，需要通過錨桿支護盡量保持錨固區(qū)圍巖的完整性，降低錨固區(qū)圍巖整體強度下降幅度。與普通錨桿相比錨索能夠降低礦區(qū)段輔助運輸巷巷道頂部的變形擴張[8-10]。錨桿錨索聯(lián)合支護體系工作機理如圖1所示。

圖1 聯(lián)合支護機理Figure 1 Combined supporting mechanism

依照錨桿錨索聯(lián)合支護機理，基于極限平衡理論獲取礦區(qū)段輔助運輸巷巷道的極限平衡區(qū)半徑和該區(qū)圍巖深度[11-12]，計算公式如下所示：

(1)

S=r1-r0

(2)

式中：S表示圍巖深度，m；z1和y1分別表示水平位移形變量和空間位移形變量，mm；r1表示極限平衡區(qū)半徑，m；r0表示圍巖半徑，m；J1表示位移變形軌跡；θ表示支護體系內(nèi)摩擦角，°；N表示位移修正系數(shù)。

1.2 未發(fā)生形變條件下錨桿支護參數(shù)獲取

基于錨桿錨索支護體系工作機理，從礦區(qū)段輔助運輸巷出發(fā)，獲取變形監(jiān)測點，具體的計算公式如下所示：

P0=(x0,y0)

(3)

式中：x0,y0表示監(jiān)測點的橫、縱坐標；P0表示巷道埋深，m。

極限平衡區(qū)深入圍巖深度和巷道周圍支護加固的最大厚度是1.121m，錨固長度為1m，錨桿外露長度為0.1m，則錨桿長度的計算公式如下所示：

C=C1+C2+C3

(4)

式中：C表示錨桿長度，m；C1表示錨桿錨入巖層的高度，m；C2表示錨桿外露長度，m；C3表示錨固長度，m。在實際應用中，將錨桿長度取值為2.31～2.41m，則極限平衡區(qū)寬度的計算公式如下所示[13]：

(5)

式中：M表示煤層采高，m；α表示測壓系數(shù)；φ0表示內(nèi)摩擦角，°；k表示應力集中系數(shù)；γ表示上覆巖平層平均容重，N/m3；H表示煤層埋深，m；η表示頂煤碎裂影響的折減系數(shù)；γ0表示頂煤容重，N/m3；M0表示頂煤厚度，m；c0表示內(nèi)聚力，Pa；p0表示支架對煤壁水平方向施加的載荷，Pa。依照錨桿直徑確定錨桿間排距，假設錨桿間距等于排距，且巷道頂部錨桿直徑為20mm時，可得到下述公式：

O=Q/(KcLcosχ)

(6)

式中：O表示錨桿間排距，m；Q表示頂錨桿錨固力，kN；K表示錨桿安全系數(shù)；c表示巖石容重，kN/m3；χ表示巖石傾角，°。充分考慮礦區(qū)段輔助運輸巷安全儲備情況，實際工程中當頂錨桿距離為20mm時，錨桿間距和排距均應在0.79～0.89m。同理可計算出未發(fā)生形變條件下不同巷道頂部錨桿直徑下錨桿的間距和排距。錨桿支護參數(shù)如表1所示。

表1 錨桿參數(shù)Table 1 Rock bolting parameters

由于不同錨桿具有不同的主干直徑，當錨桿直徑有所差異時，錨桿間距和排距也存在一定差異，應依照實際情況選取適當?shù)腻^桿支護參數(shù)作為變形分析的參照參數(shù)[14]。

1.3 變形監(jiān)測的實現(xiàn)

以獲取的未發(fā)生形變條件下錨桿支護參數(shù)作為參照，對支護體系變形情況進行檢測，通過對比，得出變形結果，從而實現(xiàn)對煤層巷道錨桿錨索支護體系變形的有效監(jiān)測。

構建錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測模型，分析錨桿錨索支護體系是否安全[15]。通常情況下，需要利用大量的觀測數(shù)據(jù)構建變形監(jiān)測模型，并且數(shù)據(jù)需要滿足分布條件。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含已知和未知的信息[16]，因此，可以將監(jiān)測模型作為灰色問題進行討論，灰色預測模型通過微分方程進行表述，一元一階模型為GM(1,1)，采用累加生成法來生成n期監(jiān)測數(shù)據(jù)構成的時間序列，表達式如下：

X={x1,x2,…,xn}

(7)

式中：xn表示監(jiān)測數(shù)據(jù)維度；n表示監(jiān)測數(shù)據(jù)量。利用一元一階模型的白化方程構建一階微分方程：

(8)

式中：，u表示一階微分方程的周期解；α代表待求的參數(shù)，利用最小二乘準則對其進行深層次求解：

(9)

式中：i表示變形監(jiān)測指標；j表示變形異常值；λj表示參數(shù)估計；ui表示最優(yōu)估計值。

將公式(9)代入到微分方程中，可以求得解：

α′=(xn-u/α)+u/α

(10)

對公式計算所得的解進行累減生成，獲得錨桿錨索支護體系變形的監(jiān)測值：

αu=α-α′=(1-eα)(xn-u/α)

(11)

式中：α′表示求解過程中產(chǎn)生的誤差值；eα表示累減次數(shù)。利用公式(11)實現(xiàn)了對錨桿錨索支護體系變形的監(jiān)測。

2 實驗分析

為了驗證所設計煤層巷道錨桿錨索支護體系變形監(jiān)測方法的有效性，選取陜西黃陵二號煤礦作為實驗區(qū)域進行實驗驗證。以面向砂卵石深基坑圍護結構的變形監(jiān)測方法[5]、基坑樁錨支護結構變形監(jiān)測方法[6]和公路隧道深基坑圍護樁受力與變形監(jiān)測方法[7]為對比方法，驗證所設計方法的優(yōu)勢性。

2.1 實驗方案與參數(shù)設置

1)監(jiān)測地點設置。在錨桿錨索支護結構四周設置4個監(jiān)測點，分別為監(jiān)測點A、監(jiān)測點B、監(jiān)測點C和監(jiān)測點D，各個監(jiān)測點的距離均為0.5m。

2)監(jiān)測時間。2019年5月1—30日，監(jiān)測周期為5d/次，總共6次，為期一個月。

3)監(jiān)測方法。采用本文方法對4個監(jiān)測點進行監(jiān)測，并取多次測量的平均值，以此來確保實驗結果的準確性。

在上述實驗方案下，給出具體的實驗區(qū)域各項參數(shù)。所選礦區(qū)段輔助運輸巷斷面面積為14.8m2，斷面形狀為矩形，高度為4.0m，寬度為7.3m，錨索間距為1.2m，排距為1.5m，錨桿間距和排距均為0.7m，黏聚力為6MPa，容重為17kN/m2，內(nèi)摩擦角為30°，剪切模量為0.1GPa，巖體力學參數(shù)修正系數(shù)為0.33(圖2)。

圖2 錨桿錨索布置情況Figure 2 Rock bolting and anchor cabling layout

以上述實驗環(huán)境參數(shù)為基礎，將實驗搭載在處理器為Intel Core-M480I5CPU@2.67GHz，內(nèi)存為16GB，操作系統(tǒng)為32位，版本為Windows10系統(tǒng)的硬件條件下進行。

2.2 實驗結果及其分析

為綜合研究所設計方法監(jiān)測結果的準確性，需要獲取錨桿錨索支護體系實際位移量，具體包括礦區(qū)段輔助運輸巷巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?。采用全站儀對實驗區(qū)域中監(jiān)測點C的實際位移量進行觀測，進行3個周期的測量，總計15d。通過實際觀測得出的具體數(shù)據(jù)如表2所示。

以表2中所示的數(shù)據(jù)為參照，計算監(jiān)測結果的準確率：

表2 巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平縏able 2 Roadway roof and floor,two sides moving closer extents

(12)

式中：xi表示監(jiān)測后獲得的形變量；κ表示實際形變量。

圖3為不同方法的監(jiān)測結果準確性對比結果。分析圖3可知，采用所設計方法對錨桿錨索支護體系變形進行監(jiān)測時，監(jiān)測結果準確率明顯高于傳統(tǒng)方法，其準確率最高值為75%，而傳統(tǒng)方法的監(jiān)測結果準確率僅低于40%。并且不同迭代次數(shù)下，所設計方法的監(jiān)測結果準確率變化趨勢不大，說明該方法的監(jiān)測結果具有穩(wěn)定性。這是由于該方法充分考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含已知和未知的信息，運用灰色預測模型對不同類型的信息進行求解從而獲取更加準確的監(jiān)測結果。

圖3 監(jiān)測結果準確性對比Figure 3 Monitoring results accuracy comparison

為了進一步驗證所設計方法的有效性，以監(jiān)測耗時為實驗指標，對比不同方法的監(jiān)測效率，結果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測時間對比結果Figure 4 Monitoring time compared result

分析圖4可知，采用所設計方法對錨桿錨索支護體系變形進行監(jiān)測時，監(jiān)測耗時始終低于1.5s，其與傳統(tǒng)方法的監(jiān)測時間差距明顯。說明該方法具有較高的監(jiān)測效率，可以為煤礦安全問題提供及時的保障。

經(jīng)上述實驗對比結果可知，所設計方法具有可靠性高和及時性的優(yōu)勢。

3 結論

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)段輔助運輸巷聯(lián)合支護主要是通過錨桿錨索支護礦區(qū)段輔助運輸巷巷道，為提升巷道安全性，需要采用合理的監(jiān)測手段對其進行安全監(jiān)測。經(jīng)實驗驗證，所設計方法有效改善了傳統(tǒng)方法監(jiān)測耗時較長和監(jiān)測結果不可靠的問題，可以為提升礦區(qū)段輔助運輸巷穩(wěn)定性提供理論參考。