古山礦沖擊危險區(qū)域錨索支護質量無損檢測研究

侯敬民，劉少虹，郭英杰，于慶波

(1.內蒙古平莊能源股份有限公司，內蒙古 赤峰 024076；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

基礎研究

古山礦沖擊危險區(qū)域錨索支護質量無損檢測研究

侯敬民1，劉少虹2，3，郭英杰1，于慶波1

(1.內蒙古平莊能源股份有限公司，內蒙古 赤峰 024076；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

為了搜尋因支護質量偏低而導致沖擊危險等級升高的區(qū)域，并分析導致錨索支護破損的原因，采用CMD3.2錨桿(索)無損檢測儀對古山三井深部區(qū)高應力、沖擊危險區(qū)域內的錨索支護進行無損檢測，對錨索支護質量進行評價。研究表明，三井所測錨索的錨固段完整度總體上呈大致對稱的正態(tài)分布。經評價，東068-1運輸巷超前支護區(qū)、東068-1運輸巷F11，F(xiàn)12斷層區(qū)和西068回風巷迎頭等4個區(qū)域支護質量較好，東068-1回風巷10～40m區(qū)域錨索支護質量一般，西068運輸巷巷口和東068-1回風巷超前支護區(qū)支護質量偏低。圍巖動力顯現(xiàn)、巷道套修施工、強動載和高地壓是古山三井錨索支護結構損傷的主要原因。

沖擊危險區(qū)；錨索支護；無損檢測；支護評價體系

基于沖擊啟動理論，沖擊地壓發(fā)生經歷沖擊啟動—沖擊能量傳遞—沖擊地壓顯現(xiàn)3個階段，主動卸壓主要針對前兩個階段，而強力支護可以降低沖擊地壓顯現(xiàn)階段的災變程度，可見支護質量的降低將會導致巷道強動力顯現(xiàn)的發(fā)生概率升高，沖擊危險等級也隨之升高[1-2]。

目前，錨桿(索)錨固質量評價方法包括：破壞性試驗、長期監(jiān)控、拉拔試驗、無損檢測等4種。其中無損檢測能夠對正在或已經施工的錨桿(索)進行檢測，成本低、方便快捷，對錨固結構不產生破壞，優(yōu)勢較為顯著[3-4]。

采用CMD3.2錨桿(索)無損檢測儀[5]對古山三井深部區(qū)高應力、沖擊危險區(qū)域內的錨索支護進行無損檢測，對錨索支護質量進行評價，搜尋因支護質量偏低而導致沖擊危險等級升高區(qū)域，并分析導致錨索支護破損的原因。

1 錨索損傷破壞模式

大量工程實踐表明，錨索的損傷破壞存在以下3種模式：錨索索體的損傷破壞；錨索錨固段粘結程度的降低；錨索托板與煤壁脫離失效[6-8].以下進行具體分析：

(1)錨索索體的損傷破壞 錨索索體是由多根鋼絞線組成，在巷道圍巖內部靜載荷或動載荷作用下易發(fā)生張拉或剪切破壞。這種情況在應力水平較高、動載擾動頻繁的強礦壓礦井尤為常見。

(2)錨索錨固段粘結程度的降低 錨索作用力的施加是依賴錨固劑對錨索索體尾端和煤體之間的粘結作用，因此索體尾端粘結程度的降低將直接導致錨索支護水平的降低。動靜載荷的疊加作用是導致錨索錨固段粘結程度降低的主要因素之一。

(3)錨索托板與煤壁脫離失效 這種破壞有兩種原因，一是巷道表層煤體易發(fā)生風化，強度大幅降低，受到震動時常常導致托板接觸的煤體脫落；二是煤壁對錨索托板長期施加向外作用力，導致錨索索具損傷，錨索托板松動或被瞬時彈出。

綜上所述，3種錨索損傷破壞模式中，第3種模式的破壞可以直接通過錨索托板的工作狀態(tài)觀察到，并且三井在巷道表層噴射混凝土，有效地降低了該破壞模式的發(fā)生概率。但前兩種模式難以通過觀察直觀判斷，需要利用錨索無損檢測技術進行診斷。通過檢測波形判斷錨索索體的完整性，將錨固長度的實測結果與理論值對比判斷錨索錨固段完整度，并基于檢測結果對錨索支護質量進行評價。

2 錨索支護質量評價體系

2.1 錨索索體完整性評價

根據(jù)《錨桿(索)錨固質量無損檢測技術規(guī)程》中華人民共和國行業(yè)標準JGJ/T 182-2009，當信號波形規(guī)則，呈指數(shù)快速衰減，持續(xù)時間短時，表明錨索索體完整性較好，無破損；當信號波形無規(guī)則，呈慢速衰減或間歇增強后衰減，持續(xù)時間長時，表明錨索索體有破損，即鋼絞線發(fā)生破斷。

2.2 錨索錨固段完整度評價

通過錨索錨固長度的無損檢測結果與錨固長度理論值之間的比值，對錨索錨固段完整度進行評價，如表1所示，錨固段完整度η由下式求出。

η=hr/hT×100%

式中，hr為錨索錨固長度的實測值，hT為錨索錨固長度的理論值。

錨索錨固長度的理論值hT可由以下公式求得：

式中，rw為錨固劑半徑；hw為錨固劑長度；rk為鉆孔半徑；rs為錨索半徑。

對于古山煤礦三井，巷道錨索采用φ23mm錨固劑，巷道拱形部分錨索每孔錨固劑長度為1950mm，直墻部分錨索每孔錨固劑長度為1200mm，鉆頭直徑28mm，成孔直徑約30mm，錨索直徑21.8mm。帶入上式計算可得，古山礦三井巷道拱形部分錨索錨固長度理論值為2429mm，直墻部分錨索錨固長度理論值為1494mm。

2.3 錨索支護質量評價體系的建立

依據(jù)錨索索體與錨索錨固段評價標準建立支護評價體系，具體如表2所示。

表2 錨索支護質量評價體系

3 錨索無損檢測施工方案

3.1 無損檢測原理[3]

CMD3.2錨桿(索)動力無損檢測儀可以對錨桿(索)桿體及支護狀態(tài)在沒有任何損傷條件下快速、簡便地測定其桿體的受力狀態(tài)(軸向受力)、桿體的自由段和錨固段長度。適用于煤礦井下錨桿(索)錨固長度和軸向受力以及錨索錨固長度的隨機實時檢測與支護質量評價；煤礦井下錨桿(索)支護巷道的施工質量檢測與評價。

錨桿(索)動力無損檢測儀基于彈性波傳播與反射原理和結構動力測試原理，采用模塊化設計，分為激振、信號采集、數(shù)據(jù)處理和智能識別4大模塊。如圖1所示。

圖1 錨桿(索)動力無損檢測儀的工作原理

3.2 無損檢測步驟[6-7]

(1)準備工作 被檢測錨索應端頭外露端面平整，外露長度不小于100mm。清理錨索索具；連接檢測儀，并將傳感器吸附至錨索索具。在無損檢測儀中建立試驗工程，輸入試驗參數(shù)。

(2)信號的激振與采集 采用特制激振錘激振，沿錨索軸向進行敲擊激振。敲定過程動作應干脆、穩(wěn)定。每根錨索的檢測數(shù)目大于5次，若5次波形基本一致，進行下一根錨索的檢測。

(3)信號的處理 由錨索無損檢測信號波形可以得到錨索索體的完整性以及錨索目前的錨固長度。

3.3 無損檢測方案

檢測前，收集與錨索無損檢測相關的地質、采掘條件和錨索設計等基礎資料，了解井下作業(yè)條件，制訂檢測方案。對古山煤礦三井深部區(qū)的強礦壓顯現(xiàn)區(qū)域、地質構造區(qū)域、掘進迎頭及其后方區(qū)域、沿空掘巷巷道變形較大區(qū)域、回采面超前支承壓力影響區(qū)域等5個高應力、沖擊危險區(qū)域的錨索支護質量進行評價。

在上述高應力、沖擊危險區(qū)域內，巷道錨索分布如圖2所示。在檢測區(qū)域內，每排錨索檢測11根，其中巷道直墻部分每側3根，拱形部分5根，檢測斷面間距3m。工作面超前區(qū)域，由于通過架棚補強支護，部分拱頂?shù)腻^索被遮擋，檢測3根錨索，每排共檢測錨索9根。通過對錨索錨固長度的檢測，對各試驗區(qū)域的支護質量進行評價。以下對各檢測區(qū)域進行具體描述。

圖2 檢測斷面內錨索分布示意

3.3.1 三井動力顯現(xiàn)區(qū)域

在西068運輸巷巷道開口附近檢測范圍內設置5個檢測斷面，間距3m，每個斷面檢測11根錨索，共55根，如圖3所示。

圖3 西068運輸巷巷道開口附近錨索無損檢測范圍

3.3.2 地質構造區(qū)域

古山三井深部區(qū)地質構造主要以斷層為主，目前已揭露的斷層包括位于東068-1運輸巷的F11和F12正斷層，斷層附近巷道具有較高的沖擊危險性。根據(jù)斷層產狀設定，F(xiàn)11斷層構造區(qū)檢測范圍為27m，F(xiàn)12斷層構造區(qū)檢測范圍為20m，如圖4所示。F11斷層構造區(qū)設置9個檢測斷面，F(xiàn)12斷層構造區(qū)設置7個檢測斷面，共檢測176根。

圖4 斷層構造區(qū)錨索無損檢測范圍

3.3.3 掘進迎頭及其后方區(qū)域

從全國范圍的沖擊地壓案例來看，掘進迎頭及其后方區(qū)域易出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)，例如義馬千秋煤礦2011年11月3日事故、新疆硫磺溝煤礦2013年1月30日事故，因此對西068回風巷迎頭后方0～40m范圍的錨索進行無損檢測，如圖5所示。設置13個檢測斷面，共檢測143根錨索。

圖5 三井西068回風巷錨索無損檢測范圍

3.3.4 沿空掘巷圍巖變形較大區(qū)域

東068-1回采工作面回風巷一側為近20m寬的階段煤柱，該巷道里程0～100m區(qū)域圍巖變形較大，在該區(qū)域設置7個檢測斷面，共檢測77根錨索，如圖6所示。

圖6 三井東068回風巷錨索無損檢測范圍

3.3.5 回采面超前支承壓力影響區(qū)域

工作面超前支承壓力影響區(qū)域具有較高的沖擊危險性。在上、下兩巷工作面前方10～40m區(qū)域各設置7個檢測斷面，如圖7所示，共檢測126根錨索。

圖7 三井東068-1工作面超前錨索無損檢測范圍

4 檢測數(shù)據(jù)分析與支護質量評價

4.1 檢測數(shù)據(jù)分析

在上述5個監(jiān)測區(qū)域，共檢測錨索568根，三井深部區(qū)錨索無損檢測測區(qū)的編號與方案中的排序一致。通過監(jiān)測結果繪制曲線如圖8所示。由圖可知，三井深部各測試區(qū)域錨索錨固段完整度平均值介于76%～82%之間，變化幅度僅為6%。而索體受損的錨索比例則在各檢測區(qū)域間差別較大，處于9%～49%之間。其中，西068運輸巷巷口附近12m區(qū)域所測量的55根錨索中49%的索體均有損傷，東068-1回風巷超前支護區(qū)域所檢測的63根錨索中37%的索體均有損傷，其他檢測區(qū)域索體受損錨索比例相對較低。

圖8 三井深部區(qū)錨索破損情況總體分析

由古山三井深部區(qū)檢測的568根錨索錨固段完整度的區(qū)間統(tǒng)計結果，繪制錨索錨固段完整度分布直方圖，以及分布概率擬合曲線，如圖9所示。由圖可知，大約30.9%的錨索錨固段完整度小于75%，錨固段為嚴重損傷；大約42.2%的錨索錨固段完整度在75%～90%之間，錨固段為輕微損傷；大約26.9%的錨索錨固段完整度大于90%，錨固段為無損傷。

圖9 錨索錨固段完整度區(qū)間頻率直方圖和擬合曲線

圖9表明，擬合曲線呈高峰位于中部，左右兩側大致對稱的正態(tài)分布，由此可知古山礦三井深部區(qū)大部分錨索的錨固段均出現(xiàn)了輕微損傷。由圖中的擬合方程可以得到任意錨索完整度的分布概率。發(fā)現(xiàn)該曲線的相關系數(shù)達到了0.94，表明該曲線能夠代表94%錨索的錨固段完整度分布規(guī)律。

4.2 錨索支護質量評價

依據(jù)前文中錨索支護質量評價體系，對三井深部區(qū)沖擊危險區(qū)域錨索支護質量進行評價，具體評價結果如表3所示。

表3 三井深部區(qū)沖擊危險區(qū)域錨索支護質量評價結果

由表3可知，東068-1運輸巷超前支護區(qū)域、東068-1運輸巷F11，F(xiàn)12斷層區(qū)和西068回風巷迎頭4個區(qū)域，50%以上的錨索支護質量等級為A，同時支護質量等級為C的錨索比例不足15%，表明4個區(qū)域錨索支護質量較好。而東068-1回風巷10～40m區(qū)域錨索支護質量等級以B為主，質量為A的錨索比例為39%，質量為C的比例上升至16%，可見東068-1回風巷10～40m區(qū)域錨索支護質量低于前面評價的4個區(qū)域，支護質量一般。最后，西068運輸巷巷口和東068-1回風巷超前支護區(qū)域錨索支護質量等級為C的比例進一步升高，尤其是西068運輸巷巷口超過1/3的錨索支護質量為C，東068-1回風巷超前支護區(qū)域也有超過1/4的錨索支護質量為C，這兩個區(qū)域錨索支護質量偏低。

5 三井錨索支護破損原因分析

通過進行古山三井錨索的無損檢測，可以發(fā)現(xiàn)沖擊危險區(qū)域的錨索支護質量存在較大差別，以下對錨索支護的破損原因進行具體分析。

由無損檢測結果可知，西068運輸巷巷口附近12m區(qū)域所測量的55根錨索中49%的索體均有損傷，主要由于該區(qū)域曾有過沖擊地壓顯現(xiàn)，而后又多次套修，使得該巷道近場圍巖受到多次強擾動而導致的。東068-1回風巷超前支護區(qū)域所檢測的63根錨索中37%的索體均有損傷，而該區(qū)域在回采過程中是微震事件的頻發(fā)地點，煤巖活動性較強，并且在工作面超前支承壓力和寬階段煤柱共同作用下應力較為集中，這些對于錨索索體的損傷均有較大影響。東068-1運輸巷F11，F(xiàn)12斷層區(qū)由于斷層落差較小，沒有形成明顯的局部應力集中，對該區(qū)域錨索支護的損傷較小，不過走向斷層要比斜交斷層對錨索支護影響程度更大些，尤其是對錨索的錨固段的影響。與之類似，西068回風巷掘進迎頭由于采用了小煤柱護巷應力水平較低，相應的該區(qū)域錨索的損傷程度較低。

綜上可知，圍巖動力顯現(xiàn)以及巷道套修施工導致圍巖變形增大，當圍巖的剪切和拉伸變形幅值超過了錨索的延伸量時，就會造成附近錨索的嚴重損傷，其次強動載和高地壓也能導致圍巖的大幅變形，從而造成錨索支護的較大損傷，并且對索體的損傷程度要大于錨索錨固段的損傷程度。走向斷層要比斜交斷層對錨索支護影響程度更大些，尤其是對錨索的錨固段。

6 結 論

采用CMD3.2錨桿(索)無損檢測儀對古山三井深部區(qū)7個高應力、沖擊危險區(qū)域568根錨索進行了無損檢測，主要結論如下：

(1)古山三井深部區(qū)錨索支護的損傷破壞模式主要包括錨索索體的損傷破壞和錨索錨固段粘結程度的降低，錨索無損檢測正是針對這兩種損傷破壞模式而開展的，并由此建立了古山三井錨索支護質量評價體系。

(2)三井所測錨索的錨固段完整度總體上呈中部高峰、左右兩側大致對稱的正態(tài)分布，其中約30.9%的錨索錨固段完整度為嚴重損傷，約42.2%的錨索錨固段完整度為輕微損傷，約26.9%的錨索錨固段為無損傷。

(3)通過檢測可知，東068-1運輸巷超前支護區(qū)域、東068-1運輸巷F11，F(xiàn)12斷層區(qū)和西068回風巷迎頭4個區(qū)域，支護質量較好。而東068-1回風巷10～40m區(qū)域錨索支護質量一般。西068運輸巷巷口和東068-1回風巷超前支護區(qū)域支護質量偏低。

(4)圍巖動力顯現(xiàn)以及巷道套修施工導致圍巖變形增大，造成了附近錨索的嚴重損傷；其次強動載和高地壓也能導致圍巖的大幅變形，從而造成錨索支護的較大損傷；走向斷層要比斜交斷層對錨索支護影響程度更大些，尤其是對錨索的錨固段。

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[責任編輯：林 健]

Cable Supporting Nondestructive Testing in Rock Burst Hazardous Area of Gushan Coal Mine

HOU Jing-min1，LIU Shao-hong2，3，Guo Ying-jie1，YU Qing-bo1

(1.Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co.，Ltd.，Chifeng 024076，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;
3.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

In order to find hazard level elevated zone of rock burst as low quality supporting，and broken reasons of cable supporting was analyzed，cable supporting in high stress and hazard rock burst zone of Gushan three shaft was test by CMD 3.2 rock bolt(cable) nondestructive testing device，then cable supporting quality was evaluated.The results showed that integrity of anchorage section of all cables appeared symmetrical normal distribution.Supporting quality of ahead supporting area of eastern 068-1 haulage roadway，F(xiàn)11，F(xiàn)12fault zone of eastern 068-1 haulage roadway and western 068 head of ventilation roadway were perfect，and eastern 068-1 ventilation roadway(10～40m) was normal，western 068 haulage roadway entrance and eastern 068-1 ventilation roadway ahead supporting area was low.Surrounding dynamic stress，roadway repaired，strength loading and high underground pressure were the main reasons for cable supporting structure damage of Gushan three shaft.

rock burst hazard zone；cable supporting；nondestructive testing；supporting evaluation system

2016-07-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.002

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0801401)；天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部生產力轉化基金 ( KJ-2015-TDKC-05)

侯敬民(1974-)，男，赤峰平莊人，高級工程師，碩士，從事采礦工程與煤礦安全科研及管理工作。

侯敬民，劉少虹，郭英杰，等.古山礦沖擊危險區(qū)域錨索支護質量無損檢測研究[J].煤礦開采，2017，22(1)：6-10.

TD353

A

1006-6225(2017)01-0006-05