矿山压力观测与控制学习情境2-巷道矿山压力观测与分析

煤矿巷道按其空间形态可分为水平巷道、垂直巷道和倾斜巷道；按其所处的位置及服务范围可分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道(后文中将准备巷道和回采巷道统称为采准巷道)。学习情境2巷道矿山压力观测与分析1任务1巷道围岩表面位移测量巷道表面位移测量包括两帮收敛、顶板下沉及底臌的测量等。根据测量结果，可以分析巷道周边相对位移变化速度、变化量，以及它们与工作面位置及掘进巷道时间的关系，也可以得到巷道周边的最终位移，从而判断支护效果和围岩的稳定状况，为完善支护参数提供依据。21.1测站布置及测点安设1.1.1测站布置1.1.2测点安设1)测点安设要求2)测点安设方法3)测点的布置方式(1)垂直布置(2)十字布置(3)网格布置(4)扇形布置(5)双十字布置3图2-1测点安设4图2-2测点的布置方式51.2观测仪器与使用方法1)测杆2)测枪3)JSS30/10型伸缩式数显收敛计(1)结构及工作原理(2)主要技术参数(3)使用方法6

4)GCL—1型超声波断面测量仪(1)结构及工作原理(2)主要技术参数(3)使用方法5)采用传感器测量法7图2-3

ADL—2.5结构示意图8图2-4

D—Ⅱ型自动记录器结构图9图2-5

BHS—10型测枪结构图10图2-6收敛计结构图11图2-7GCL—1型超声波断面测量仪图12图2-8多角形变位移观测13任务2巷道围岩深部位移测量为了探明巷道围岩深部的稳定状况，进一步研究支架与围岩的相互作用关系，不仅需要测量支护空间产生相对位移或空间断面的变形，而且还需对围岩深部岩体的破坏和位移变化进行观测。14图2-9巷道围岩深部变形位移观测152.1机械式多点位移计

2.1.1机械式多点位移计结构2.1.2数据处理1)计算围岩绝对位移2)判断围岩破碎区范围16图2-10机械式钻孔多点位移计17图2-11围岩内部绝对位移测量18图2-12围岩位移曲线19图2-13磁性测点钻孔位移计2.2磁性测点钻孔位移计

为了满足测量的需要，在机械式多点位移机的基础上，中国矿业大学研制出了磁性测点钻孔位移计，其结构如图2-13所示。202.3声波多点位移计2.3.1基本结构及工作原理①磁性锚固头。②导向管。③声波导线探头。④声波测读仪。⑤磁性锚固头安装管。2.3.2安装与使用21图2-14磁性锚固头22图2-15磁性锚固头安装深度杆23任务3巷道支护体载荷与变形观测

3.1支撑式支架外部载荷观测3.1.1机械式测力计3.1.2液压式测力计1)压力表2)液压测力计(1)HC型液压测力计(2)ZHC型钻孔油枕应力计3.1.3振弦式矿压观测仪器1)钢弦压力盒的工作原理2)钢弦频率接收仪24图2-16

ADJ型测力计25图2-17

NN—ZY指示器结构图26图2-18

ADJ型测力计标定曲线27图2-19

HC型液压测力计28图2-20

ZHC型钻孔油枕应力计结构图29图2-21注油阀结构示意图30图2-22

GH—50型钢弦压力盒结构示意图31图2-23

GSJ—1型频率计工作原理框图3233343536373.1.4观测仪器的安设1)拱形巷道测力计布置及安设2)梯形或矩形巷道支架测力计的布置及安装3.1.5观测要求及方法3.1.6巷道支架变形观测1)支架承载后变形破坏的统计分析382)巷道支架变形观测(1)测点布置(2)测量方法3)支架承载后可缩量的测量4)观测数据的整理与分析(1)观测资料的整理(2)资料分析39图2-24测力计布置及安装40图2-25拱形巷道支架变形测点布置41图2-26支架变形实测图423.2支架构件内力的测定

由于支架承受外载会引起其构件内力产生变化，故测定这种内力变化可以知道支架工作状态及承载能力。但此种反推法并不是唯一的方法。测量支架构件内力，主要是通过测量构件应变大小，目前主要应用电阻应变片和光弹应变片的方法。43图2-27电阻应变片结构示意图443.3锚杆(索)支护监测3.3.1锚杆受力监测1)测力锚杆的结构2)测力锚杆工作原理453)测力锚杆的制作(1)螺纹钢杆体加工(2)电阻应变片的选择与粘贴(3)引出导线的焊接与固定(4)测力锚杆的标定4)测力锚杆的安装与测试5)数据处理方法(1)计算测力锚杆各测点应力(2)计算平均轴向应力(3)计算测力锚杆的弯矩分布46图2-28测力锚杆结构图47图2-29杆体断面图48图2-30应变片布置图49图2-31多通道转换开关50图2-32测力锚杆工作原理图51图2-33应变片测试导线引出图52图2-34测力锚杆标定曲线53图2-35测力锚杆安装方向543.3.2巷道围岩变形监测3.3.3顶板离层监测1)机械式顶板离层指示仪(1)结构(2)顶板离层指示仪的安装与使用552)声光报警式顶板离层指示仪(1)仪器的主要特点(2)仪器结构及工作原理(3)仪器的安装与使用3)在线监测式顶板离层指示仪(1)系统特点(2)传感器结构(3)技术参数(4)离层监测传感器的安装56图2-36孔口测读装置57图2-37顶板离层指示仪58图2-38顶板离层指示仪的安设位置59图2-39指示仪孔口测读装置连接图60图2-40

LBY—1型顶板离层指示仪61图2-41

LBY—1型顶板离层指示仪安装图62图2-42离层监测传感器结构图63图2-43离层传感器安装示意图643.3.4锚杆锚固力监测1)MLJ—10型锚杆拉力计(1)工作原理(2)主要技术参数(3)锚杆拉力计的使用2)ML—10型锚杆拉力计(1)结构与工作原理(2)技术特征(3)操作注意事项3)ML—20型锚杆拉力计4)MJY—300／80型锚杆拉拔计5)MYJ—10型锚杆液压枕(锚杆测力计)

65图2-44

MLJ—10型锚杆拉力计示意图66图2-45

ML—10型锚杆拉力计67图2-46锚杆液压枕683.3.5喷层应力监测3.3.6煤巷预应力支护监测技术3.3.7表面位移测量3.3.8监测信息反馈及处理69图2-47光导纤维钻孔窥视仪70任务4巷道围岩应力观测

巷道围岩发生变形、位移和破坏是岩体内应力作用的结果。岩体内的应力状态十分复杂，包括上覆岩层的自重应力、地质构造残余应力、水压力及瓦斯压力等。巷道开掘后，引起附近围岩内应力重新分布，其分布状况和开采技术条件及岩体物理力学性质密切相关。在进行巷道围岩稳定性分析时，了解岩体内应力的大小、方向、分布状态及其变化规律是十分重要的。近60年来，国内外对岩体应力的测量方法和手段，进行了许多研究。实际上，存在的岩体应力状态是较复杂的三维应力，为了简化测量方法，通常只测一个平面两个方向主应力相方向角，如图2-48所示。71图2-48简化测平面应力724.1地应力测量方法

4.1.1应力恢复法4.1.2水压致裂法1)测量原理2)测量方法3)适用及优点4.1.3声发射法1)测试原理2)测试步骤(1)试件制备(2)声发射测试(3)计算地应力

73图2-49扁千斤顶应力测量示意图74图2-50水压致裂应力测量原理75图2-51测试系统示意图76图2-52水压致裂法试验压力—时间、流量—时间曲线图77图2-53声发射监测系统框图78图2-54应力—声发射事件试验曲线图794.1.4应力解除法1)应力解除的基本原理2)孔底应力解除法3)岩体表面应力解除法4)钻孔应力解除法804.2测点的选择

测点的位置应尽量选择在巷道的中部或工作面上，避开巷道、硐室交叉部位的应力集中区。在构造部位的选择上，除特殊要求外，一般要远离断层。在岩石条件方面，应尽量选择节理、裂隙不发育或胶结较好的厚层岩石。测点要尽量均匀、有代表性，同时又便于施工。81图2-55孔底应力解除法实施步骤82图2-56岩体表面应力解除法应力测量83图2-57钻孔应力解除法测量步骤84任务5巷道围岩松动圈的测定

巷道围岩松动圈是巷道围岩应力超过岩体强度之后而在巷道周边形成的破裂带，其物理状态表现为破裂缝的增加及岩体应力水平的降低。松动圈测试就是检测开巷后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。基于松动圈测试的检测原理，相应的测试方法很多，有钻孔潜望镜法、钻孔摄影法、钻孔电视法、形变—电阻率法、声波测试法、渗流法、深基点位移计测量法、地震声学和超声测井法等。其中较为简便的是超声测井探测法和槽波地震声学法。855.1超声波测井探测法5.1.1超声波测井探测法工作原理5.1.2BA—Ⅱ型围岩松动圈测试仪5.1.3松动圈测试5.1.4典型测孔曲线分析

86图2-58超声波纵波速度分布曲线87图2-59双孔测试示意图88图2-60单孔测试工作原理示意图89图2-61

BA—Ⅱ型仪器工作原理示意图90图2-62松动圈测站布设示意图91图2-63标准的松动圈测孔曲线92图2-64带有异常点的测孔曲线93图2-65近水平曲线的分析945.2深基点位移计观测方法

松动圈内岩石由于破裂缝的产生与扩展，其碎胀变形较深部未松动围岩要大，通过在钻孔中不同深度安设围岩内位移测点，观测围岩内位移交化趋势，变形速度及变形量突然增大的区域即为松动圈边界，见图2-66。95图2-66根据深基点位移计测定松动圈965.3巷道矿压资料分析实例

5.3.1地质条件5.3.2观测的主要内容5.3.3观测方法1)测站布置2)观测基点布置975.3.4分析方法和结论1)巷道表面位移分析(1)沿走向变化可分为3个变化阶段(2)不同部位围岩变化特征2)巷道深部围岩位移分析(1)沿走向(2)沿倾向(3)不同部位围岩的变化特征3)锚杆(索)受力分析(1)锚杆力变化规律(2)锚索力变化规律9899图2-67煤层柱状图100图2-68风巷测站布置位置图101图2-69观测断面基点布置示意图102图2-70表面位移变化曲线103图2-71