礦山壓力觀測(cè)與控制學(xué)習(xí)情境2-巷道礦山壓力觀測(cè)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(wù)范圍可分為開拓巷道、準(zhǔn)備巷道和回采巷道(后文中將準(zhǔn)備巷道和回采巷道統(tǒng)稱為采準(zhǔn)巷道)。學(xué)習(xí)情境2巷道礦山壓力觀測(cè)與分析1任務(wù)1巷道圍巖表面位移測(cè)量巷道表面位移測(cè)量包括兩幫收斂、頂板下沉及底臌的測(cè)量等。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可以分析巷道周邊相對(duì)位移變化速度、變化量，以及它們與工作面位置及掘進(jìn)巷道時(shí)間的關(guān)系，也可以得到巷道周邊的最終位移，從而判斷支護(hù)效果和圍巖的穩(wěn)定狀況，為完善支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。21.1測(cè)站布置及測(cè)點(diǎn)安設(shè)1.1.1測(cè)站布置1.1.2測(cè)點(diǎn)安設(shè)1)測(cè)點(diǎn)安設(shè)要求2)測(cè)點(diǎn)安設(shè)方法3)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)安設(shè)4圖2-2測(cè)點(diǎn)的布置方式51.2觀測(cè)儀器與使用方法1)測(cè)桿2)測(cè)槍3)JSS30/10型伸縮式數(shù)顯收斂計(jì)(1)結(jié)構(gòu)及工作原理(2)主要技術(shù)參數(shù)(3)使用方法6

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

ADL—2.5結(jié)構(gòu)示意圖8圖2-4

D—Ⅱ型自動(dòng)記錄器結(jié)構(gòu)圖9圖2-5

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

2.1.1機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)結(jié)構(gòu)2.1.2數(shù)據(jù)處理1)計(jì)算圍巖絕對(duì)位移2)判斷圍巖破碎區(qū)范圍16圖2-10機(jī)械式鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)17圖2-11圍巖內(nèi)部絕對(duì)位移測(cè)量18圖2-12圍巖位移曲線19圖2-13磁性測(cè)點(diǎn)鉆孔位移計(jì)2.2磁性測(cè)點(diǎn)鉆孔位移計(jì)

為了滿足測(cè)量的需要，在機(jī)械式多點(diǎn)位移機(jī)的基礎(chǔ)上，中國礦業(yè)大學(xué)研制出了磁性測(cè)點(diǎn)鉆孔位移計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。202.3聲波多點(diǎn)位移計(jì)2.3.1基本結(jié)構(gòu)及工作原理①磁性錨固頭。②導(dǎo)向管。③聲波導(dǎo)線探頭。④聲波測(cè)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(wù)3巷道支護(hù)體載荷與變形觀測(cè)

3.1支撐式支架外部載荷觀測(cè)3.1.1機(jī)械式測(cè)力計(jì)3.1.2液壓式測(cè)力計(jì)1)壓力表2)液壓測(cè)力計(jì)(1)HC型液壓測(cè)力計(jì)(2)ZHC型鉆孔油枕應(yīng)力計(jì)3.1.3振弦式礦壓觀測(cè)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(cè)力計(jì)25圖2-17

NN—ZY指示器結(jié)構(gòu)圖26圖2-18

ADJ型測(cè)力計(jì)標(biāo)定曲線27圖2-19

HC型液壓測(cè)力計(jì)28圖2-20

ZHC型鉆孔油枕應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)圖29圖2-21注油閥結(jié)構(gòu)示意圖30圖2-22

GH—50型鋼弦壓力盒結(jié)構(gòu)示意圖31圖2-23

GSJ—1型頻率計(jì)工作原理框圖3233343536373.1.4觀測(cè)儀器的安設(shè)1)拱形巷道測(cè)力計(jì)布置及安設(shè)2)梯形或矩形巷道支架測(cè)力計(jì)的布置及安裝3.1.5觀測(cè)要求及方法3.1.6巷道支架變形觀測(cè)1)支架承載后變形破壞的統(tǒng)計(jì)分析382)巷道支架變形觀測(cè)(1)測(cè)點(diǎn)布置(2)測(cè)量方法3)支架承載后可縮量的測(cè)量4)觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理與分析(1)觀測(cè)資料的整理(2)資料分析39圖2-24測(cè)力計(jì)布置及安裝40圖2-25拱形巷道支架變形測(cè)點(diǎn)布置41圖2-26支架變形實(shí)測(cè)圖423.2支架構(gòu)件內(nèi)力的測(cè)定

由于支架承受外載會(huì)引起其構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生變化，故測(cè)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(cè)量支架構(gòu)件內(nèi)力，主要是通過測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變大小，目前主要應(yīng)用電阻應(yīng)變片和光彈應(yīng)變片的方法。43圖2-27電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖443.3錨桿(索)支護(hù)監(jiān)測(cè)3.3.1錨桿受力監(jiān)測(cè)1)測(cè)力錨桿的結(jié)構(gòu)2)測(cè)力錨桿工作原理453)測(cè)力錨桿的制作(1)螺紋鋼桿體加工(2)電阻應(yīng)變片的選擇與粘貼(3)引出導(dǎo)線的焊接與固定(4)測(cè)力錨桿的標(biāo)定4)測(cè)力錨桿的安裝與測(cè)試5)數(shù)據(jù)處理方法(1)計(jì)算測(cè)力錨桿各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力(2)計(jì)算平均軸向應(yīng)力(3)計(jì)算測(cè)力錨桿的彎矩分布46圖2-28測(cè)力錨桿結(jié)構(gòu)圖47圖2-29桿體斷面圖48圖2-30應(yīng)變片布置圖49圖2-31多通道轉(zhuǎn)換開關(guān)50圖2-32測(cè)力錨桿工作原理圖51圖2-33應(yīng)變片測(cè)試導(dǎo)線引出圖52圖2-34測(cè)力錨桿標(biāo)定曲線53圖2-35測(cè)力錨桿安裝方向543.3.2巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)3.3.3頂板離層監(jiān)測(cè)1)機(jī)械式頂板離層指示儀(1)結(jié)構(gòu)(2)頂板離層指示儀的安裝與使用552)聲光報(bào)警式頂板離層指示儀(1)儀器的主要特點(diǎn)(2)儀器結(jié)構(gòu)及工作原理(3)儀器的安裝與使用3)在線監(jiān)測(cè)式頂板離層指示儀(1)系統(tǒng)特點(diǎn)(2)傳感器結(jié)構(gòu)(3)技術(shù)參數(shù)(4)離層監(jiān)測(cè)傳感器的安裝56圖2-36孔口測(cè)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(shè)位置59圖2-39指示儀孔口測(cè)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(cè)傳感器結(jié)構(gòu)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(cè)1)MLJ—10型錨桿拉力計(jì)(1)工作原理(2)主要技術(shù)參數(shù)(3)錨桿拉力計(jì)的使用2)ML—10型錨桿拉力計(jì)(1)結(jié)構(gòu)與工作原理(2)技術(shù)特征(3)操作注意事項(xiàng)3)ML—20型錨桿拉力計(jì)4)MJY—300／80型錨桿拉拔計(jì)5)MYJ—10型錨桿液壓枕(錨桿測(cè)力計(jì))

65圖2-44

MLJ—10型錨桿拉力計(jì)示意圖66圖2-45

ML—10型錨桿拉力計(jì)67圖2-46錨桿液壓枕683.3.5噴層應(yīng)力監(jiān)測(cè)3.3.6煤巷預(yù)應(yīng)力支護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)3.3.7表面位移測(cè)量3.3.8監(jiān)測(cè)信息反饋及處理69圖2-47光導(dǎo)纖維鉆孔窺視儀70任務(wù)4巷道圍巖應(yīng)力觀測(cè)

巷道圍巖發(fā)生變形、位移和破壞是巖體內(nèi)應(yīng)力作用的結(jié)果。巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，包括上覆巖層的自重應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造殘余應(yīng)力、水壓力及瓦斯壓力等。巷道開掘后，引起附近圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布，其分布狀況和開采技術(shù)條件及巖體物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。在進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性分析時(shí)，了解巖體內(nèi)應(yīng)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(duì)巖體應(yīng)力的測(cè)量方法和手段，進(jìn)行了許多研究。實(shí)際上，存在的巖體應(yīng)力狀態(tài)是較復(fù)雜的三維應(yīng)力，為了簡化測(cè)量方法，通常只測(cè)一個(gè)平面兩個(gè)方向主應(yīng)力相方向角，如圖2-48所示。71圖2-48簡化測(cè)平面應(yīng)力724.1地應(yīng)力測(cè)量方法

4.1.1應(yīng)力恢復(fù)法4.1.2水壓致裂法1)測(cè)量原理2)測(cè)量方法3)適用及優(yōu)點(diǎn)4.1.3聲發(fā)射法1)測(cè)試原理2)測(cè)試步驟(1)試件制備(2)聲發(fā)射測(cè)試(3)計(jì)算地應(yīng)力

73圖2-49扁千斤頂應(yīng)力測(cè)量示意圖74圖2-50水壓致裂應(yīng)力測(cè)量原理75圖2-51測(cè)試系統(tǒng)示意圖76圖2-52水壓致裂法試驗(yàn)壓力—時(shí)間、流量—時(shí)間曲線圖77圖2-53聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖78圖2-54應(yīng)力—聲發(fā)射事件試驗(yàn)曲線圖794.1.4應(yīng)力解除法1)應(yīng)力解除的基本原理2)孔底應(yīng)力解除法3)巖體表面應(yīng)力解除法4)鉆孔應(yīng)力解除法804.2測(cè)點(diǎn)的選擇

測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)。在構(gòu)造部位的選擇上，除特殊要求外，一般要遠(yuǎn)離斷層。在巖石條件方面，應(yīng)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(cè)點(diǎn)要盡量均勻、有代表性，同時(shí)又便于施工。81圖2-55孔底應(yīng)力解除法實(shí)施步驟82圖2-56巖體表面應(yīng)力解除法應(yīng)力測(cè)量83圖2-57鉆孔應(yīng)力解除法測(cè)量步驟84任務(wù)5巷道圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定

巷道圍巖松動(dòng)圈是巷道圍巖應(yīng)力超過巖體強(qiáng)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(yīng)力水平的降低。松動(dòng)圈測(cè)試就是檢測(cè)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(dòng)圈的邊界?；谒蓜?dòng)圈測(cè)試的檢測(cè)原理，相應(yīng)的測(cè)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(cè)試法、滲流法、深基點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量法、地震聲學(xué)和超聲測(cè)井法等。其中較為簡便的是超聲測(cè)井探測(cè)法和槽波地震聲學(xué)法。855.1超聲波測(cè)井探測(cè)法5.1.1超聲波測(cè)井探測(cè)法工作原理5.1.2BA—Ⅱ型圍巖松動(dòng)圈測(cè)試儀5.1.3松動(dòng)圈測(cè)試5.1.4典型測(cè)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(cè)試示意圖88圖2-60單孔測(cè)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(dòng)圈測(cè)站布設(shè)示意圖91圖2-63標(biāo)準(zhǔn)的松動(dòng)圈測(cè)孔曲線92圖2-64帶有異常點(diǎn)的測(cè)孔曲線93圖2-65近水平曲線的分析945.2深基點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)方法

松動(dòng)圈內(nèi)巖石由于破裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，其碎脹變形較深部未松動(dòng)圍巖要大，通過在鉆孔中不同深度安設(shè)圍巖內(nèi)位移測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)圍巖內(nèi)位移交化趨勢(shì)，變形速度及變形量突然增大的區(qū)域即為松動(dòng)圈邊界，見圖2-66。95圖2-66根據(jù)深基點(diǎn)位移計(jì)測(cè)定松動(dòng)圈965.3巷道礦壓資料分析實(shí)例

5.3.1地質(zhì)條件5.3.2觀測(cè)的主要內(nèi)容5.3.3觀測(cè)方法1)測(cè)站布置2)觀測(cè)基點(diǎn)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(gè)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(fēng)巷測(cè)站布置位置圖101圖2-69觀測(cè)斷面基點(diǎn)布置示意圖102圖2-70表面位移變化曲線103圖2-71