小莊礦40204工作面沖擊危險區(qū)錨桿支護(hù)質(zhì)量無損檢測研究

陳跟馬，昝軍才，高永剛，賈增林，盧 科

(1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 彬縣 713500；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

近年來，沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重地威脅了我國煤礦的安全生產(chǎn)。根據(jù)沖擊啟動理論，沖擊地壓顯現(xiàn)是沖擊地壓發(fā)生過程的最后環(huán)節(jié)。錨桿支護(hù)能夠降低圍巖的裂隙發(fā)育，進(jìn)而較好維護(hù)圍巖的抗沖擊能力，降低了沖擊地壓的顯現(xiàn)程度。由此可知，錨桿錨固質(zhì)量的降低將直接導(dǎo)致巷道沖擊危險性的大幅升高[1-3]。

目前錨桿(索)支護(hù)質(zhì)量檢測方法包括以下3種：原位拉拔試驗、在線監(jiān)控及無損檢測。其中，無損檢測方法能夠?qū)σ咽┕ゅ^桿(索)的支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行檢測，且對錨固結(jié)構(gòu)不造成破壞，具有成本低、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。

利用錨桿(索)無損檢測儀對小莊煤礦40204工作面巷道沖擊危險區(qū)域內(nèi)的錨桿進(jìn)行無損檢測；建立評價體系，對檢測錨桿的支護(hù)質(zhì)量開展評價，由此確定支護(hù)薄弱區(qū)域，進(jìn)而分析因支護(hù)質(zhì)量偏低而導(dǎo)致沖擊危險性增大的區(qū)域，并分析導(dǎo)致錨桿支護(hù)質(zhì)量降低的原因。

1 工程概況

小莊煤礦40204綜放工作面位于井下二盤區(qū)，東西走向布置，南接40203工作面采空區(qū)，北面為實體煤。工作面走向長1801m，寬195m，煤層埋深約為520～690m。該工作面主采4號煤層，工作面區(qū)域內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，厚度分布21～23.5m，煤層北厚南薄。基本頂為粗砂巖，含礫粗砂巖，厚約7～8m，厚層狀，屬半堅硬類較穩(wěn)定型。直接頂主要為黑色砂質(zhì)泥巖，厚約8m。直接底主要為泥巖，致密塊狀，厚度約3～4m。該工作面煤層產(chǎn)狀呈單斜構(gòu)造，工作面內(nèi)地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，傾向近北方向，傾角約3°～4°。

2 錨桿支護(hù)質(zhì)量評價體系

根據(jù)相關(guān)規(guī)范(《煤礦井巷工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(MT5009-94)，《煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(MT/T1104-2009)和《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2001))，提出了單根錨桿支護(hù)質(zhì)量評價方法。

2.1 錨桿錨固段完整度評價

錨桿錨固段完整度為錨桿錨固長度無損檢測值與錨固長度的理論計算值之間相除而確定的，如表1所示，錨固段完整度由下式求出。

式中，η為錨桿錨固段完整度，hr為錨桿錨固長度的實測值，m；hT為錨桿錨固長度的理論值，m。

表1 錨桿錨固段完整度確定標(biāo)準(zhǔn)

錨桿錨固長度的理論值hT可由下式求得：

式中，dw為錨固劑直徑，m；h0為單孔裝入錨固劑的長度，m；dk為錨桿孔直徑，m；ds為錨桿桿體直徑，m。

小莊煤礦巷道錨桿采用錨固劑直徑為23mm，測量巷道內(nèi)錨桿支護(hù)單孔錨固劑的長度為950mm，氣動錨桿鉆機(jī)的鉆頭直徑為28mm，施工鉆孔直徑約為30mm，支護(hù)錨桿的桿體直徑為22mm。代入上式計算可得，小莊煤礦錨桿錨固長度理論值為1208mm。

2.2 錨桿工作載荷(軸向拉力)狀態(tài)的評價

基于現(xiàn)場對錨桿無損檢測的結(jié)果，對錨桿工作載荷狀態(tài)進(jìn)行評價，具體如表2所示。

2.3 錨桿支護(hù)質(zhì)量評價系統(tǒng)的構(gòu)建

構(gòu)建錨桿支護(hù)質(zhì)量評價系統(tǒng)，以錨桿錨固段與錨桿工作載荷狀態(tài)為評價指標(biāo)，將錨桿支護(hù)質(zhì)量評價分為3個等級，如表3所示。

表2 錨桿工作載荷狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)

表3 錨桿支護(hù)質(zhì)量評價系統(tǒng)

3 錨桿無損檢測施工方案

3.1 無損檢測原理

錨桿(索)無損檢測儀可以在沒有損傷條件下對錨桿(索)的錨固長度及工作軸力迅速監(jiān)測，適用于煤礦巷道錨桿(索)支護(hù)質(zhì)量檢測及評價[3]。

圖1 錨桿(索)無損檢測工作原理

錨桿(索)無損檢測工作原理，如圖1所示。由圖1可知，錨桿(索)無損檢測設(shè)備的原理包括震動波激發(fā)、傳播、反射和結(jié)構(gòu)動力檢測等部分，由此將設(shè)備劃分為激振、信號采集、數(shù)據(jù)處理和智能識別等4個部分。

3.2 無損檢測方案

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)、采掘條件和支護(hù)等基礎(chǔ)資料及井下施工條件，制訂檢測方案。對小莊煤礦40204工作面臨空巷道的常規(guī)區(qū)域、巷道超高段、水倉附近區(qū)域、臨空巷道交叉口附近區(qū)域、巷道群區(qū)域、卸壓后區(qū)域，非臨空巷道的超前支護(hù)區(qū)域、未卸壓區(qū)域等8個區(qū)域的錨桿支護(hù)質(zhì)量開展評價。

工作面巷道斷面凈尺寸5500mm×3500mm。頂板及兩幫采用φ22mm×2200mm的高強(qiáng)螺紋樹脂錨桿配合錨網(wǎng)支護(hù)，間排距800mm×800mm。頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，錨索規(guī)格為φ18.96mm×7000mm，間排距1600mm×1600mm。

在各測試區(qū)域(圖2)內(nèi)設(shè)置若干檢測斷面，每個斷面內(nèi)兩幫各檢測3根錨桿，頂板上檢測3根錨桿，每個斷面內(nèi)共檢測9根錨桿。如某一斷面內(nèi)的錨桿不適合檢測，可以在相鄰1～2排錨桿選擇相似位置的錨桿進(jìn)行測量；同一巷道斷面上盡量選取不同方位的錨桿。

區(qū)域1：臨空巷道常規(guī)區(qū)域。該區(qū)域位于40204機(jī)電設(shè)備硐室以里300～330m，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置4個檢測斷面，每個斷面間距10m，共檢測36根錨桿。

區(qū)域2：臨空巷道超高區(qū)域。40204膠帶巷內(nèi)多處巷道超高，選擇一處巷道超高區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置2個檢測斷面，間距10m，共檢測18根錨桿。

區(qū)域3：臨空巷道水倉附近。該區(qū)域位于40204膠帶巷機(jī)電設(shè)備硐室以里200～230m，設(shè)置4個檢測斷面，每個斷面間距10m，共檢測36根錨桿。

區(qū)域4：臨空巷道交叉口附近。該區(qū)域位于40204膠帶巷泄水巷聯(lián)巷以外0～30m，設(shè)置4個檢測斷面，每個斷面間距10m，共檢測36根錨桿。

區(qū)域5：巷道群區(qū)域。該區(qū)域位于40204機(jī)電設(shè)備硐室向外20～50m，設(shè)置4個檢測斷面，每個斷面間距10m，共檢測36根錨桿。

圖2 區(qū)域分布平面

區(qū)域6：臨空巷道卸壓后區(qū)域。該區(qū)域位于40204膠帶巷卸壓后區(qū)域內(nèi)設(shè)置4個檢測斷面，每個斷面間距10m，共檢測36根錨桿。

區(qū)域7：非臨空巷道超前支護(hù)區(qū)。該區(qū)域位于40204回風(fēng)巷面前15～60m，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置4個檢測斷面，每個斷面間距15m，共檢測36根錨桿。

區(qū)域8：非臨空巷道未卸壓區(qū)域。該區(qū)域位于1號聯(lián)絡(luò)巷以里50～70m，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置3個檢測斷面，每個斷面間距10m，共檢測27根錨桿。

4 數(shù)據(jù)分析與支護(hù)質(zhì)量評價

4.1 數(shù)據(jù)分析

共檢測8個區(qū)域的261根錨桿。小莊煤礦40204回采工作面巷道錨桿無損檢測測區(qū)的編號與方案中的排序一致。根據(jù)各區(qū)域錨桿錨固長度完整度檢測結(jié)果繪制曲線，如圖3所示。

圖3 各區(qū)域錨桿錨固長度完整度對照

由圖3可知，小莊煤礦40204工作面各沖擊危險區(qū)域錨桿錨固段完整度總體上為91.8%～105.2%，變化范圍為13.4%。而各區(qū)域錨桿錨固段完整度低于90%的錨桿數(shù)比例在11.1%～51.9%之間，變化幅度達(dá)到40.8%。其中，40204膠帶巷的巷道超高段區(qū)域、巷道交叉口附近區(qū)域、巷道群區(qū)域、卸壓后區(qū)域以及回風(fēng)巷的未卸壓區(qū)域的錨桿錨固長度完整度低于90%的錨桿數(shù)所占比例超過1/3?；仫L(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)域的錨固情況較好，而其他4個區(qū)域錨桿錨固長度完整度低于90%的錨桿數(shù)比例均接近1/4，錨固情況一般?；仫L(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)域中錨桿錨固長度完整度是各區(qū)域中最佳的。

根據(jù)各區(qū)域錨桿工作載荷檢測結(jié)果繪制柱狀圖如圖4所示。

圖4 各區(qū)域錨桿工作載荷統(tǒng)計

由圖4可知，工作載荷小于30kN的錨桿數(shù)比例在0%～25%之間，工作載荷在30～70kN的錨桿數(shù)比例在38.9%～59.3%之間，工作載荷大于70kN的錨桿數(shù)比例在33%～60%之間。其中臨空巷道交叉口附近區(qū)域、巷道群區(qū)域錨桿工作載荷情況差的錨桿數(shù)占比超過20%，其余區(qū)域情況較好。尤其兩巷超前支護(hù)區(qū)工作載荷狀況均好于其所屬巷道其他區(qū)域。

4.2 支護(hù)質(zhì)量評價

依據(jù)前文中錨桿支護(hù)質(zhì)量評價體系對區(qū)域內(nèi)錨桿進(jìn)行支護(hù)質(zhì)量評價，所得結(jié)果如表4所示。

表4 錨桿支護(hù)質(zhì)量評價結(jié)果

根據(jù)表4可知，在8個區(qū)域里，支護(hù)質(zhì)量A級的錨桿數(shù)目在各區(qū)域里所占比例分布在16.7%～44.4%；支護(hù)質(zhì)量B級的錨桿數(shù)目在各區(qū)域里所占比例分布在30.5%～55.6%，明顯高于A級分布區(qū)間；支護(hù)質(zhì)量C級的錨桿數(shù)目在各區(qū)域里所占比例分布在11.2%～38.9%，接近于A級分布區(qū)間。其中，臨空巷道超高段區(qū)域、臨空巷道交叉口附近區(qū)域C級錨桿占比超過1/3，巷道群區(qū)域C級錨桿占比超過1/4，此3個區(qū)域錨桿支護(hù)質(zhì)量最差。而回風(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)支護(hù)狀況最佳。其他區(qū)域C級錨桿占比均接近1/5，支護(hù)質(zhì)量一般。

5 錨桿支護(hù)破損原因分析

通過對小莊煤礦40204工作面沖擊危險區(qū)域內(nèi)錨桿的無損檢測，獲得了沖擊危險區(qū)域內(nèi)錨桿的支護(hù)質(zhì)量。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對錨桿支護(hù)質(zhì)量降低的原因進(jìn)行具體分析。

由檢測結(jié)果，臨空巷道交叉口附近區(qū)域受交叉巷道支承壓力和采空區(qū)側(cè)向支承壓力的疊加影響，而巷道群區(qū)域受到多條巷道支承壓力疊加影響，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，造成錨桿長時間高負(fù)荷起效，進(jìn)而支護(hù)受損。而臨空巷道超高段區(qū)域本身位于小型構(gòu)造帶或應(yīng)力集中區(qū)，掘進(jìn)時動力顯現(xiàn)頻繁，對支護(hù)結(jié)構(gòu)頻繁擾動，更容易使錨桿支護(hù)受損。

從整體上看，40204工作面膠帶運(yùn)輸巷臨近40203工作面采空區(qū)，煤柱幫幫鼓較嚴(yán)重，局部經(jīng)多次套修，使得該巷道近場圍巖受到多次擾動，巷道局部微震活動頻繁，導(dǎo)致巷幫煤柱破碎帶加大，從而降低了錨桿工作載荷，破壞其支護(hù)質(zhì)量，造成巷道整體支護(hù)質(zhì)量一般的狀態(tài)。

6 結(jié) 論

采用錨桿(索)無損檢測儀對小莊煤礦40204工作面巷道8個沖擊危險區(qū)域的261根錨桿進(jìn)行了無損檢測，主要結(jié)論如下：

(1)以錨桿錨固長度和工作載荷為指標(biāo)，建立了錨桿支護(hù)質(zhì)量評價體系；并應(yīng)用該體系對小莊煤礦40204工作面巷道的支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行評價。

(2)通過評價，小莊煤礦40204工作面的臨空巷道交叉口附近區(qū)域、巷道群區(qū)域和臨空巷道超高段區(qū)域錨桿支護(hù)質(zhì)量較差，屬于支護(hù)薄弱區(qū)域，需要對這些區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(3)通過分析，小莊煤礦40204工作面受多巷道支承壓力和采空區(qū)側(cè)向支承壓力的疊加影響，以及小型構(gòu)造帶或應(yīng)力集中區(qū)動力現(xiàn)象對支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動效應(yīng)，是錨桿支護(hù)破損的主要原因。而40204運(yùn)輸巷臨近40203采空區(qū)，煤柱幫幫鼓較嚴(yán)重，局部經(jīng)多次套修，使得該巷道近場圍巖受到多次擾動，巷道局部微震活動頻繁，導(dǎo)致巷幫煤柱破碎帶加大，降低了錨桿工作載荷。