采动影响下回采巷道锚杆安全状态监测研究
时间:2023-05-24 22:55 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
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★ 煤矿安全 ★ 采动影响下回采巷道锚杆安全状态监测研究0 引言矿井安全生产的必要条件是保证回采巷道的稳定性[1]。通过对回采巷道支护锚杆的应力应变进行有效监测，结合煤层回采巷道不同位置的锚杆在采动影响下的受力状态，可分析出锚杆支护特性，有利于解决回采巷道发生的片帮冒顶事故[2]。 LI Yanhui等[3]运用自稳平衡拱理论分析了围岩的破坏机理；CUI Feng等[4]分析了长壁工作面顶板在倾斜方向上的破裂规律，研究了工作面的应力和能量特性；JIA Housheng等[5-7]主要采用现场顶板探测和数值模拟，揭示了复合顶板的破裂发展特征和变形机理；LI Guodong等[8]利用数字图像相关技术(DIC)获取了煤层开挖过程中岩层的变形和裂隙的发育情况，同时利用压力传感器和应变仪监测采动应力。而煤矿巷道的破坏主要是由于巷道支护作用失效而造成的，因此研究锚杆支护效果是保障巷道安全的有效手段。 王傲等[9]分析了断裂锚杆分布区域应力分布及探讨锚杆破断的机理；余伟健等[10]对回采巷道在回采反复扰动下锚杆与锚索失效的原因进行了分析；李臣等[11]基于塑性区形态演化设计了锚杆(索)支护参数，并对巷道稳定性进行了控制；汪文勇等[12]为了探究超千米埋深沿空留巷巷道在第一次回采期间的变形、应力分布规律以及锚杆支护效果，结合有限差分法分析了在回采过程中整个工作面应力分布以及变形特征；陈彦龙等[13]采用锚杆轴力无损检测技术，对采动影响区域锚杆轴力随工作面推进变化情况进行了大量现场测试，发现锚杆轴力变化与采场超前支承压力分布具有明显的对应关系。 针对巷道支护锚杆的安全状态监测，布置光纤光栅传感器是目前煤矿生产巷道的主要手段。为保证光纤光栅(FBG)传感器不受外界环境因素的影响，现将FBG传感器埋入锚杆中并封装，在室内进行拉伸实验，验证其可行性，通过现场试验监测数据，分析回采巷道支护锚杆安全状态。 1 监测传感器的布置方案结合现场工程实践开展光纤光栅锚杆应力应变动态实时监测系统的应用，可评估锚杆服役期间的实际支护效果，为锚杆支护方案设计和优化提供理论依据。 1.1 工作面基本情况神东矿区布尔台煤矿42203工作面按煤层倾斜方向布置，沿煤层走向方向回采，工作面倾向长度320 m，走向长度4 485.2 m。地面标高+1 251.9～+1 346.7 m，底板标高+897.42～+948.74 m。回采段煤层埋深390～410 m，煤厚5.6～6.2 m，倾角1°～3°。该综放工作面采用三巷布置，分别是回风巷、运输巷和辅运巷。 1.2 监测传感器布置光纤光栅监测系统是基于布置在围岩中的FBG锚杆传感器，监测围岩体内的应力应变，实时监测围岩、锚杆支护结构的受力与变形状态，通过分析监测数据，对围岩、锚杆支护结构稳定状态进行评估和安全预警。监测系统获取的监测数据可通过巷道内的光缆环网传输至地面数据采集控制平台进行实时监测。因此，为保证锚杆安装时传感器不被破坏且能够有效监测煤矿中巷道锚杆支护结构的受力形变，采用将传感器嵌入锚杆中封装，与锚杆一同安装在煤岩中的方式。 FBG锚杆传感器布置的目的是通过统计分析井下实际发生锚杆破断情况，确定会发生问题的锚杆大概率位置；确定试验巷道的监测范围和光纤光栅传感器锚杆的布置数量；确定工作面验证试验巷道的监测范围和光纤光栅传感器锚杆的布置数量。 2 FBG锚杆设计2.1 FBG锚杆传感器工作原理FBG锚杆传感器光栅反射从宽带光源发射并由光纤耦合器引导的光，由调解装置测量波长的变化。 FBG满足布拉格(Bragg)条件： λB=2neffΛ (1) 式中：λB——反射光中心波长，nm； neff——有效折射率； Λ——光栅周期，μm。 FBG传感器温度T、应变ε及λB之间的变化关系为： 
(2) 式中：pij——弹光系数； ΔλB——光栅波长漂移量； ε——应变； neff——有效折射率； ν——泊松比； α——热膨胀系数； ζ——热光系数； ΔT——温度变化，℃。 2.2 光纤光栅应变测量当光纤光栅仅受应力作用时： 
(3) 式中：Δneff——折射率的变化量； ΔΛ——光栅周期的变化量。 在恒温环境下，光纤光栅应变的测量公式为： 
(4) 式中：Pe——有效弹光系数。 计算得出所用光纤其值为0.22。 2.3 FBG锚杆设计在直径18 mm螺纹钢锚杆和直径32 mm玻璃钢锚杆上加工宽2 mm、深度9 mm和16 mm的细小沟槽，将FBG传感器紧密粘贴在槽底，在锚杆内布置好并封装，在尾部引出铠装光缆，连接FBG调制解调仪进行实时监测。锚杆FBG传感器结构布置如图1所示。 
图1 锚杆FBG传感器结构布置 FBG传感器横截面如图2所示，FBG传感器由锚杆杆体、环氧树脂和FBG 3部分组成。 为了防止传感器在运输过程中出现意外，采用热塑管进行密封。在锚杆连接位置和尾纤处用塑料泡沫进行包裹，防止在运输过程中损坏传感器。 2.4 锚杆增量弹性模量锚杆的轴向力可以表示为： 
(5) 式中：F——锚杆轴向力，N； E——锚杆弹性模量，MPa； A——锚杆截面积，m2。 当锚杆的轴力不大时，其截面积的变化也很小，可以忽略不计。因此，可以认为A是常数。锚杆材料确定后，其弹性模量E不变。 
图2 FBG传感器埋入结构后的横截面示意 通过恒温恒速加载，在电液伺服万能实验机上分别拉伸常规玻璃钢锚杆、螺纹钢锚杆和FBG玻璃钢锚杆和FBG螺纹钢锚杆。由实验测得的FBG传感器中心波长变化数据，绘制常规和FBG锚杆增量弹性模量关系曲线如图3所示。 在锚杆拉伸后且未发生屈服之前的弹性变形阶段，轴力变化增量值与应变增量值的比值为锚杆杆体的增量弹性模量，从图4中实验数据的分布情况可以看出，螺纹钢常规锚杆和FBG锚杆增量弹性模量呈现出很好的一致性，符合弹性变形阶段弹性模量基本保持一致的材料力学属性。计算得到螺纹钢常规锚杆和FBG锚杆的增量弹性模量的平均值分别为54.2、50.4 GPa，玻璃钢常规锚杆和FBG锚杆的增量弹性模量的平均值分别为112.2、107.7 GPa，强度损失皆满足井下实际需求，实验结果也验证了FBG锚杆传感器监测锚杆轴力状态的可靠性。 2.5 监测传感器安装由顶板周期来压引发的锚杆破坏主要集中在运输巷和辅运巷的两帮。 工作面周期来压步距最大为15 m，监测周期来压范围内巷道支护锚杆受力变形与工作面推进过程中矿压之间的规律，确定光纤光栅传感器锚杆需布置在工作面前方大概225 m范围内。在巷道围岩左、右帮共打入12根锚杆，左帮布置玻璃钢锚杆、右帮布置螺纹钢锚杆各6根，如图4所示。 左右帮侧由于存在井下设施的干扰，可根据现场对左右帮光纤光栅锚杆位置做出调整。围岩巷道受力情况的监测是一个持久且缓慢的过程，为了使监测数据更加精准，需要每天在同一时间下井，记录井下实时情况，保证外界环境的一致性，实时准确地获取锚杆数据。 由于锚杆打入是靠人工用手抱钻方式打孔，打孔后用搅拌锚杆将锚固树脂搅匀，随后将光纤光栅锚杆打入。在锚杆打入巷道后，将每帮侧锚杆用型号为MGTS-12B矿用单模光缆进行连接，同时将矿用光缆布设至解调仪附近，汇至集线盒中。 
图3 锚杆增量弹性模量关系曲线 
图4 锚杆安装位置 3 锚杆杆体受力和变形特征3.1 监测结果分析由于井下巷道温度相对恒定，锚杆埋入围岩后温度基本稳定，温度对传感器影响可忽略不计。 在1根2.2 m的锚杆上，将FBG传感器以380 mm的间距依次布置及编号。为方便分析，从外露端向锚固端进行编号，托盘段为1号光栅，锚固段为5号光栅。数据收集至1号锚杆失效，从而对比分析各个锚杆的安全状态。锚杆各位置的轴力随工作面推进可以由FBG传感器准确地反映出来，左帮锚杆轴向应力监测曲线如图5所示。 从图5可以看出，左帮锚杆轴向应力总体变化趋势相同，锚杆杆体的轴力变化明显，其中1号光栅数据变化最为明显。工作面在推进过程中，锚杆轴力是逐渐增加的，工作面与1号、2号锚杆最近，两根锚杆总体变化趋势相似，采动对两者的影响相对更大；相比之下较远的3号、4号、5号、6号锚杆轴力变化量更小。可将图5(a)和(b)中情况分为缓慢增长区和快速增长区，在工作面推进到距锚杆60 m之前位置时锚杆轴力缓慢增加，工作面推进到距锚杆60 m之后位置时锚杆轴力迅速增加；而相对较远的3号、4号、5号、6号锚杆轴力缓慢增加，并较为稳定；托盘附近的光栅传感器相比锚固段杆体内的光栅传感器所监测到的轴力更大，且轴力变化值也相对较大。 
图5 左帮锚杆轴向应力监测曲线 右帮锚杆轴向应力监测曲线如图6所示。从图6可以看出，右帮锚杆轴向应力总体变化趋势相同，虽然轴力变化较小，但随工作面推进而呈上升趋势，由于1号光栅为锚杆自由段，其初始数据会受到变形等影响，因而所显现的锚杆轴力更大。7号、8号、9号、10号锚杆监测到位于托盘附近的轴力相比11号锚杆和12号锚杆更大，受采动影响更为明显。 
图6 右帮锚杆轴向应力监测曲线 锚杆轴力分布与左帮锚杆相同，光栅越靠近托盘所监测的轴力与轴力变化值越大。通过在工作面前方40 m巷道左帮处采用超前支护的方式防止辅运巷回采时两帮发生破坏，导致矿压被其承担一部分，从而使巷道两帮轴力差异较大。 3.2 锚杆杆体受力特征基于锚杆监测数据，通过插值平滑处理后可以得到连续分布等高剖面曲线，如图7所示。 
图7 锚杆监测数据等值与剖面曲线 从图7可以看出，在回采巷道左帮2 700～2 740 m 处锚杆所受轴力最大，同时在这个范围内右帮也承受到最大轴力，也是巷道围岩发生冒顶破坏危害最大的位置，在工作面回采时需要对这个位置特殊关注。 在沿工作面回采方向，由于锚杆埋深0～380 mm是自由段，不需考虑其轴力大小。锚杆埋深越深，锚杆最大轴力越小。这是由于锚杆埋深深处为锚固段，与围岩相对契合，随岩体变形移动，因而轴力变化较小；锚杆埋深浅处为自由段，杆体靠近托盘处，能够自由变形，因而轴力变化较大。左、右帮锚杆相比，左帮锚杆轴力变化更为明显，轴力变化值普遍大于右帮锚杆。邻近工作面的巷帮位置受采动影响的距离最短，采动影响比其他位置更为直接。 4 结论(1)在煤矿应用FBG传感器锚杆轴向应力监测试验中，左帮锚杆轴力变化最明显，轴力变化值普遍大于右帮锚杆，邻近工作面的巷帮位置受采动影响的距离最短，采动影响比其他位置更为直接。 (2)综采工作面推进过程中，锚杆左帮将工作面推进到距锚杆60 m之前锚杆轴力缓慢增长，工作面推进到距锚杆60 m之后锚杆轴力快速增长。锚杆右帮轴力随工作面推进皆呈缓慢增长。 (3)根据井下巷道锚杆轴力监测数据，锚固段杆体由于相对契合围岩，轴力变化幅度均较小；近托盘处杆体由于位于自由段，能够自由变形，轴力变化幅度均较大；锚杆轴力沿自由段杆体分布不均匀，靠近托盘处杆体的轴力最大。 (4)FBG锚杆监测数据插值平滑处理后得到连续分布等高剖面曲线，通过对比各个位置上锚杆轴力最大值分布，可以分析出受采动影响最大的巷道位置，在该位置应及时采取锚杆支护防治措施以预防锚杆破断等事故发生。 [1] 康红普.我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望[J].中国矿业大学学报，2016，45(6)：1071-1081. [2] 陈长华，崔强.典型浅埋煤层回采巷道锚杆支护特性研究[J].煤炭科学技术，2018，46(S1)：12-17. [3] LI Yanhui，LIU Limin，SUN Jiaxin，et al. Research on support of deformation of mining side gob along high-stress mining roadway[J]. Geotechnical and Geological Engineering，2019，37(6)：5543-5553. [4] CUI Feng ，DONG Shuai ，LAI Xingping，et al. Study on the fracture law of inclined hard roof and surrounding rock control of mining roadway in longwall mining face[J]. Energies，2020，13(20)：5344-5344. [5] JIA Housheng，PAN Kun，LIU Shaowei ，et al. Evaluation of the mechanical instability of mining roadway overburden：research and applications[J]. Energies，2019，12(22)：4265-4283. [6] JIA Guangkan，ZHANG Nong，ZHANG Haiwei，et al. Stress evolution and deformation control technology for deep mining influenced roadway[J]. Applied Mechanics and Materials，2011，90-93(1446)：137-145. [7] WANG Pu，JIANG Lishuai，MA Changqing，et al. Evolution laws of floor stress and stability of floor roadway affected by overhead mining[J]. Earth Sciences Research Journal，2020，24(1)：45-54. [8] LI Guodong，CAO Shugang，LUO Feng，et al. Research on mining-induced deformation and stress，insights from physical modeling and theoretical analysis[J]. Arabian Journal of Geosciences，2018，11(5)：1-9 [9] 王傲，姚强岭，李学华，等.采动高应力区沿空掘巷锚杆破断机理[J].中国矿业大学学报，2017，46(4)：769-775. [10] 余伟健，李可，张靖，等.采动影响下深埋软岩巷道变形特征与控制因素分析[J].煤炭科学技术，2020，48(1)：125-135. [11] 李臣，张文龙，汪宁，等.基于采动影响下塑性区演化的顶板稳定性控制[J].采矿与安全工程学报，2019，36(4)：753-761. [12] 汪文勇，高明忠，王满，等.深埋沿空留巷采动变形特征及应力分布规律探索[J].岩石力学与工程学报，2019，38(S1)：2955-2963. [13] 陈彦龙，张后全，吴宇，等.采动矿压与锚杆轴力变化关系的实测研究[J].煤炭学报，2016，41(5)：1106-1110. Research on safety status monitoring of anchor bolts in mining roadway under the influence of mining
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