锚杆支护质量监测方法

2 锚杆支护质量监测方法

2. 1 锚杆支护质量监测内容

2.1.1 监测目的

监测目的首先是根据监测数据判断巷道的施工质量和安全程度，提出整改措施，防止事故发生。同时可以利用监测数据分析特定条件下巷道矿压显现规律，验证锚杆支护参数的合理性，为进一步修改和完善锚杆设计提供依据。

2. 1. 2 监测准备:在监测前，应做以下基础工作

●进行原岩应力测试，了解巷道主应力矢量；

●充分了解顶板(特别是直接顶)的力学特性及节理分布；

●用数值计算或工程类比法确定顶板离层临界值；

●据表2-1确定锚杆屈服载荷；

●各测站内安设顶板离层仪和多点位移计，以便比较不同位置处的顶板位移和离层值。

●对现场监测人员进行培训，建立综合观测的概念。

表2-1 常用锚杆杆体毛截面积承载能力表

2. 1. 3 监测项目

(1) 巷道围岩变形监测：根据巷道的规格、长度、位置和围岩岩性不同，变形监测分为巷道表面位移观测、顶板离层观测和围岩深部位移观测。

(2) 锚杆锚固力监测：锚固力是锚杆工作效能的一个重要指标，进行锚固力测试就是对锚杆的工作状态和安装质量进行检查。

2.1.4 监测方法

(1) 测站布置：试验巷道观测长度初定为300m，第五个测站距采面50m(更远些也可以)，后面测站间隔50m，共设五个测站，每测站布置一个观测断面(见图2- 1)。在测点内没巷道表面位移观测点：顶板离层和围岩深部位移观测点：锚杆力动态监测点。关于锚杆拉拔力测定和锚杆扭矩测量属施工质量检测项目，本次监测时不做重点内容。

图2-1 测站布置示意图

(2) 基点设置和监测内容

巷道表面位移观测

巷道表面位移值是检测锚杆设计参数，指导施工的重要依据，确定巷道允许最大位移量和位移速度是保证安全生产的重要手段。巷道表面位移观测采用十字测点布置法，测量仪器可用收敛计、钢尺和测枪。内容包括顶板下沉量和两帮移近量观测等(见图2-2 )。顶板离层和围岩深部位移观测顶板离层和围岩深部位值对锚杆设计参数的改进起着重要作用。观测仪器采用自行设计的深孔多点位移计。观测顶板离层时位移计应安设在巷道顶板的中部。深部基点固定在稳定岩层内，浅基点固定在锚杆端部位置;观测深部位移时位移计应安设在巷道两帮的中部，一个孔内设三个基点，深度距巷道壁分别为lm, 2m, 3m(见图2-2，图2-3 )。基点设好后，要测量初值。

图2-2 测站断面布置图

1一表面位移基点2一顶板深部位移计(兼作离层指示仪) 3一两帮深部位移计

图2-3 深部位移计安装示意图

1一3m测点固定套2一3m测点测杆3一2m测点固定套

4一2m测点测杆5一lm测点固定套6一lm测点测杆

7一孔口固定套管8一固定水泥砂浆9一测点保护罩

锚杆锚固力动态监测

锚杆力动态监测仪器采用锚杆测力计或测力锚杆。

(3) 记录格式

按观测内容设计出的记录表格见表2-2。

表2-2 晓南矿锚杆支护监测数据记录表巷道名称：: 监测日期：记录人员：

2. 2 低成本深部多点位移计的研制

2. 2. 1 研制目的

锚杆监测项目较多，其中最重要的项目是深部位移和顶板离层的监测。目前，国外多使用先进的声波多点位移计来进行，监测点数多，深度大，是较好的首选仪器；国内多使用煤炭科学总院等单位生产的深部多点位移计，安装使用方便。但这些仪器成本高，对于科研方面少量的使用是可行的。由于本项目的研究最终目标是找出一种适合煤矿井下常规生产管理，坚持经常的监测方法。这样，有关的监测仪器必然要大量使用，也必须降低监测成本。这就是研制低成本深部多点位移计的目的。

为满足常规监测的需要，研制的深部多点位移计具有如下特点：

(1)易于加工，安装方便，成本低；

(2)监测读数容易，精度达到毫米级；

(3)适用性强，既可用于巷道顶板深部位移的监测，又可用于顶板离层的监测。

2. 2. 2 深部多点位移计的设计

(1) 深部固定头：采用聚氯乙稀或PVC材料加工成胀壳式锚固头。锚固头由两部分组成，外径为φ42，与标准钻头配套。外型见图2-4。

图2-4 塑料胀壳式锚固头

(2) 测量部件：用φ6的冷拔钢筋制成。第一节固定在锚固头内。标准长度lm(称为一节)，各节之间可装配，根据需要加长。外型见图2-5

(3)孔口基点保护套：用φ42的钢管制成，用以保护测量部件和设定基点。外型见图2-6。装配成套后见图2-7。

图2-5 测量部件

图2-6 孔口保护套

图2-7 深部多点位移计

由于所选材料简单，加工容易，研制的深部多点位移计成本，每套仅为30元，适合大量使用。满足了本项目的需要，也有利于以后的推广应用。

2. 3 监测参数临界值的确定

2.3.1 临界值的作用

预报巷道顶板可能发生的冒顶地点，顶板离层和岩体扩容松动，查出巷道支护中的薄弱环节，以便及时采取相应措施消除事故隐患，是实行锚杆支护监测的根本宗旨。用相关参数的实测值预报上述危险性，必须依据临界值进行判别。如果临界值确定的合理，预报就比较切合实际，整改措施才能恰当有效。否则，高临界值可能导致漏报，失去监测作用;低临界值会造成谎报，使某些整改措施不必要，浪费人力物力。因此，临界值的确定既与预报质量密切相关，又制约着整改措施的正确实施，是一个至关重要的问题。

2. 3. 2 顶板离层临界值的确定

离层临界值是指锚杆支护巷道中，顶板尚处于稳定状态下的岩层离层、松动的位移最大值，它包括锚杆排间的顶板变形的临界值。临界值是顶板由稳定到失稳的一个判定指标。它的确定是比较困难的。顶板离层临界值的确定方法如下:

(1) 数值模拟

这种方法最大的优点是可直观地显现巷道顶板变形离层情况，并在不同岩层层位设置测点和观测线，为顶板离层与否提供依据。

(2) 工程类比

这种方法的具体操作过程是，分析本矿区巷道实际围岩条件，总结顶板位移量与顶板离层之间的对应关系，进而归纳出适应一定巷道围岩条件的离层临界值。

(3) 统计分析

这种方法是建立在大量的监测数据基础上的，利用数理统计的方法计算出顶板离层的均值和均方差，以一定的可靠度来确定顶板离层临界值

总之，离层临界值很难用适当的力学模型来描述分析。矿上应据具体情况进行数值计算和矿压观测和总结，找出较为确切的岩层临界值。

2.3.3 深部位移临界值的确定

根据最大水平重应力理论，经多年研究和实践，一般认为当顶板岩层松动膨胀到1 / 100时，岩层即进入软化阶段，若锚杆长度范围内的岩层均进入这一状态则证明锚杆支护强度不够。因此，深部位移临界值确定为测量深度的1 / 100。

2. 3. 4 锚杆杆体失效的确定

锚杆杆体的失效分两种情况：一是指杆体周围的岩层局部脱落或托盘失效造成杆体失去承载点而失效，这种情况可在井下直接观测到。另一种情况指在巷道锚杆支护过程中，锚杆在受轴向载荷的作用下，杆体本身产生屈服变形，造成杆体产生“颈缩”显现甚至破断(尤其在螺纹部位)，这种情况只能通过锚杆测力计测得。

2.3.5 顶板位态监测准则一确定整改措施

(1) 对于较完整的层状顶板，如果相邻两分层的位移差△S>0，则表明岩层产生离层。对于节理裂隙较发育的层状顶板，应在同一层中设置不同位置的两测点，如果位移差△S>0，说明这层顶板已扩容松动，此时应注意顶板的局部冒顶。

(2)若锚固范围内△S>0，顶板产生离层，锚杆受力也较大(大于锚杆屈服载荷的80%)，说明顶锚杆约束强度不够，应考虑增大杆体直径或提高材质的强度，也可考虑增加锚杆数量。

(3)若锚固范围△S>0，且锚固体上位岩层位移量也较大，说明锚杆长度不够，应增加锚杆长度，在一定条件下可加锚索。

(4)掘进阶段和回采阶段，应每天读取并分析测力锚杆的数据，如发现锚杆接近或达到屈服载荷，应及时进行补打锚杆。

(5)不定期地利用无损检测仪对锚杆进行验证，发现载荷低于设计值，立即补打或改进安装质量。

(6)对于节理发育的顶板，顶板的失稳一般是先局部冒落后引起大面积垮落，因此不能单纯只分析下沉量，应结合测力锚杆各段的应力值分析锚固体内各岩层的受力变形情况。

(7)对于同排锚杆，在同层位测点的位移量、位移速度及相应层位的应力、应力变化速度应一致，如不一致，则应分析是锚杆支护参数的原因还是原岩应力或采动影响。

2. 4 监测日期和频度

(1) 各测站安设完毕后要及时测量各项监测项目的初读数，并作好记录。

(2) 当回采工作面距最近的测站30m以上时，每周测量数据两次。

(3) 当回采工作面距最近的测站30m以内时，每天测量数据一次．

3 锚杆支护监测软件

3. 1 软件编制原则和目的

编制计算机软件是论文工作的重要内容，锚杆支护质量监测的全部数据处理、储存和打印图表都由微机完成。其宗旨在于：一矿一台微机，实现适宜不同地质条件的多个锚杆支护巷道监测和评价微机化，并为更大范围的微机联网创造条件。

软件是为紧密配合晓南矿支护改革，推广锚杆支护工作进行编制的。它在实践中产生，又在实践中不断完善、充实、提高，前后经由多次修改，集思广益而成。

锚杆支护质量监测软件是一个应用软件，实用性是它的基本特点，为此，软件既充分体现了具体要求，又在晓南矿W3-405运输顺槽的实际监测工作中进行了验证。应用表明，本软件易于操作。功能齐全、运行稳定，安全可靠。

本软件用QBASIC语言编写，在UCDOS 5. 0汉字系统支持下，于386微机上调试通过，软件含有日监测程序和综合评价程序两大部分，五个功能模块。

软件编制原则：(1) 面向用户，采用菜单和音响技术方便用户，图表并茂;(2)密切结合现场实际，突出实用性。

软件编制目的：(1)对锚杆支护巷道的质量进行监测，使监测工作实现科学化、规范化和系列化；(2)}利用监测数据分析特定条件下巷道矿压显现规律，验证锚杆支护参数的合理性，为进一步修改和完善锚杆设计提供依据。