潘三礦1632(3)軌道巷斷錨事故分析及防范措施*

李志兵，馬靜冉，韓云春，鄧東生，任波，段昌瑞

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232100；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232100；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232100)

0 引言

2017年11月4日22時(shí)26分，淮南礦業(yè)集團(tuán)有限公司潘三礦綜采三隊(duì)1632(3)工作面軌道巷發(fā)生錨索斷裂事故(該斷裂錨索為軌道巷掘進(jìn)期間即支護(hù)的錨索)，導(dǎo)致1人死亡，破壞了礦井的安全生產(chǎn)，并產(chǎn)生了較壞的社會(huì)影響。事故發(fā)生時(shí)，工作面退尺(軌順970.8 m，運(yùn)順950.6 m)，錨索破斷地點(diǎn)距離工作面煤壁263 m。為此，通過分析事故特點(diǎn)和原因，提出防范措施，以期為類似條件下工作面的安全生產(chǎn)提供參考。

1 工作面概況

1632(3)工作面走向平均長度1 344 m，傾斜長度236～255 m。煤層傾角4°～12°，平均6°，賦存穩(wěn)定。地面標(biāo)高+21.2～+24.8 m，工作面標(biāo)高-551.6～-617 m。該面掘進(jìn)期間運(yùn)順R80點(diǎn)向外，軌順局部沿13-2煤頂板，其余均沿13-1煤頂板施工，面內(nèi)13-1煤厚0.1～5.5 m，均厚4.0 m。初采期間的采高為3～3.5 m，正常回采的采高為3～4.5 m。

該面位于西三上部采區(qū)，東起西三采區(qū)上山，西至潘三-丁集礦井井田邊界，北至1622(3)運(yùn)順，南鄰F24逆斷層。該面軌順自撥門口向里930 m受斷層F24 ∠45～55°H=50～75 m(逆)影響，距斷層下盤15～30 m。1642(1)工作面于2014年7月收作，事故點(diǎn)距收作線57 m(平距)。1632(3)工作面基本情況見表1。

表1 1632(3)工作面概況

2 斷錨點(diǎn)概況

2.1 斷錨點(diǎn)巷道頂板巖性及支護(hù)設(shè)計(jì)

斷錨點(diǎn)巷道頂板巖性：1632(3)工作面軌道巷事故點(diǎn)巷道頂板巖性依次為1.1 m砂質(zhì)泥巖、0.5 m煤線、0.8 m砂質(zhì)泥巖、1.0 m煤線(13-2煤)，3.6 m砂質(zhì)泥巖等，具體如圖1所示。

圖1 事故點(diǎn)巷道頂板巖性柱狀圖

斷錨點(diǎn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)：巷道設(shè)計(jì)斷面尺寸為3.3 m×5.2 m(高×寬)，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿間排距為750 mm×800 mm，配合使用M5鋼帶掛金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿預(yù)緊力150 N·m；頂板使用φ22 mm×6.3 m錨索配合T3鋼帶支護(hù)，“5-5-5”布置，錨索預(yù)緊扭矩150 kN。幫部錨桿間排距為800 mm×800 mm，配合使用平鋼帶掛金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿預(yù)緊力4 kN。錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼筋網(wǎng)為10#金屬網(wǎng)。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表2。

表2 1632(3)軌順(斷錨點(diǎn))巷道設(shè)計(jì)及支護(hù)情況

2.2 斷錨點(diǎn)礦壓顯現(xiàn)特征及分析

1632(3)工作面軌道巷事故發(fā)生后，調(diào)查組及時(shí)到事故點(diǎn)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故點(diǎn)巷道礦壓顯現(xiàn)具有如下特點(diǎn)。

事故點(diǎn)巷道處于應(yīng)力穩(wěn)定期：事故點(diǎn)距離回采工作面煤壁263 m，未受回采超前支承壓力影響，處于應(yīng)力穩(wěn)定期。

巷道表面變形劇烈：兩幫及頂?shù)装逡平看?，圍巖嚴(yán)重破壞，巷道圍巖蠕變現(xiàn)象十分明顯，說明該處巷道圍巖承受壓力大，支護(hù)強(qiáng)度低，不足以控制巷道淺部圍巖流變。

錨索出現(xiàn)退錨、破斷現(xiàn)象嚴(yán)重：巷道內(nèi)支護(hù)失效錨索頻繁發(fā)生，事故錨索外露段散開，四根鋼絞線在鎖具處破斷，因巷道頂板發(fā)生大變形，錨索材料、結(jié)構(gòu)本身不適應(yīng)該頂板圍巖的大變形，導(dǎo)致錨索退錨過程產(chǎn)生強(qiáng)大扭矩，使錨索外露段散開，降低了錨索整體截面慣性矩，從而很容易造成鋼絞線各個(gè)破斷。

3 事故原因及防范措施

3.1 斷錨點(diǎn)附加應(yīng)力和礦壓顯現(xiàn)異常突出

大斷層異常帶對巷道維護(hù)的影響：1632(3)工作面軌道巷走向與斷層F24 ∠45～55°H=50～75 m(逆)走向，自撥門口向里930m幾近平行，并距斷層下盤僅為15～30 m。①建模分析。根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，建立簡化薄板模型，并基于平面應(yīng)變問題的理論進(jìn)行數(shù)值模擬及研究，分別觀察距斷層10 m、20 m、30 m遠(yuǎn)的巷道開挖后圍巖塑性區(qū)變化并與沒有斷層存在時(shí)巷道開挖后圍巖塑性區(qū)分布圖對比分析斷層對巷道圍巖松動(dòng)圈的影響[1]，具體如圖2所示；②模型分析。由圖2可以看出由于斷層的存在，當(dāng)巷道距斷層小于30 m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)顯著增大，在巷道的四角上產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍比無斷層存在時(shí)擴(kuò)大一倍左右；隨著距離斷層越來越遠(yuǎn)，巷道圍巖松動(dòng)圈受到斷層的影響越來越小。具體分析1632(3)軌順(自撥門口向里930 m)，其與斷層F24 ∠45～55°H=50～75 m(逆)下盤僅為15～30 m，受斷層影響大，巷道承受很大的構(gòu)造應(yīng)力，導(dǎo)致巷道塑性區(qū)范圍顯著增大，這是巷道圍巖發(fā)生劇烈流變，淺部圍巖出現(xiàn)大變形破壞的主要原因。

圖2 斷層對巷道圍巖塑性區(qū)分布的影響

斷錨點(diǎn)受下伏工作面邊界煤柱的影響：①參考文獻(xiàn)[2]使用有限元數(shù)值模擬軟件，分析了單一11-2煤層開采對煤層傾向方向上覆圍巖應(yīng)力演化規(guī)律。隨著工作面的不斷推進(jìn)，沿煤層傾斜方向，在采空區(qū)上方有一卸壓區(qū)，由于煤層傾角近似水平，采空區(qū)兩側(cè)卸壓角度基本一致，充分推進(jìn)以后，卸壓角基本穩(wěn)定在70°左右；②事故所處工作面下伏1642(1)工作面于該面回采前3年收作，1642(1)工作面開采11-2煤層，根據(jù)地質(zhì)資料11-2煤層與13-1煤層間距為70 m，斷錨點(diǎn)距1642(1)工作面下邊界平距僅為20.1 m，如圖3所示；③因下伏1642(1)工作面的回采，上覆1632(3)工作面出現(xiàn)卸壓區(qū)，其邊界距1642(1)工作面下邊界平距為70 m×tan70°=25.5 m。而斷錨點(diǎn)距1642(1)工作面下邊界平距僅為20.1 m，故該處不處于卸壓區(qū)，相反，處于應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致該處巷道圍巖應(yīng)力較大。

圖3 1632(3)軌順斷錨點(diǎn)位置圖

3.2 錨桿初始支護(hù)阻力低

錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)的作用：錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)是協(xié)同支護(hù)理論的重要組成部分，以預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作為及時(shí)支護(hù)和加固巷道周圍淺部圍巖為主體，提高圍巖的承載能力和自穩(wěn)性。同時(shí)，通過預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同作用，一方面，在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高支護(hù)強(qiáng)度，控制圍巖變形破壞；另一方面，當(dāng)圍巖的破壞松動(dòng)范圍超過錨桿的錨固范圍時(shí)，通過錨索的懸吊作用，將頂板松動(dòng)區(qū)巖石懸吊于深部穩(wěn)定的巖層，防止頂板失控冒落[3-4]。

錨桿預(yù)緊力與錨索預(yù)拉力關(guān)系：在錨桿錨索協(xié)同支護(hù)系統(tǒng)中，預(yù)應(yīng)力作為它的1個(gè)主變量，對錨桿-錨索系統(tǒng)的協(xié)同起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到60 kN，錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到120 kN時(shí)，能顯著控制巷道頂板離層下沉量[5]。為使錨桿-錨索實(shí)現(xiàn)協(xié)同支護(hù)作用，當(dāng)錨索預(yù)拉力為140～160 kN時(shí)，錨桿預(yù)緊力不小于60 kN；當(dāng)錨索預(yù)拉力120～140 kN時(shí)，錨桿預(yù)緊力不小于40 kN[6]。

錨桿未充分發(fā)揮支護(hù)作用：潘三礦1632(3)工作面軌順，頂板錨索設(shè)計(jì)預(yù)拉力150 kN，頂板錨桿應(yīng)不小于預(yù)緊力60 kN，而該巷頂板錨桿設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩僅為150 N·m，錨桿預(yù)緊力僅僅可達(dá)33～40 kN[7-9]。導(dǎo)致錨索的利用率值較大，而錨桿的利用率較小，錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力值不協(xié)同，錨索受力較大，而錨桿沒有充分發(fā)揮支護(hù)作用，致使圍巖初期的變形壓力完全集中在錨索鋼絞線上。

3.3 錨索錨具自鎖能力不足

錨具自鎖能力變?nèi)醯脑颍哄^索長時(shí)間使用過程中，夾片和錨環(huán)間會(huì)發(fā)生物理變化、化學(xué)變化(如生銹)，進(jìn)而增大夾片和錨環(huán)間的摩擦角。夾片和鋼絞線間的摩擦角由于夾片咬齒在長時(shí)間受力的情況下也會(huì)發(fā)生變形，從而降低該摩擦角，不利于錨具自鎖[10]。

導(dǎo)致錨索退錨的原因：工程實(shí)踐中，安裝錨索鎖具，預(yù)拉張緊時(shí)，有的夾片進(jìn)入錨環(huán)深一些，有的淺一些，說明三片夾片與鋼絞線間摩擦力不同，導(dǎo)致錨索偏載，在不考慮錨固段鋼絞線錨固效果的情況下，三片夾片與鋼絞線間摩擦角的差異可引起該現(xiàn)象。當(dāng)錨索發(fā)生退錨時(shí)，摩擦角大的一片夾片握裹的鋼絲繩承受較大的載荷，當(dāng)達(dá)到承載極限時(shí)首先發(fā)生破斷[11]。

3.4 防范措施

地質(zhì)方面：工作面開采設(shè)計(jì)前，地質(zhì)部門必須提供設(shè)計(jì)區(qū)域的煤層賦存條件、臨近煤層開采情況、煤層頂?shù)装鍘r性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等[12-14]。

設(shè)計(jì)方面：加強(qiáng)工作面開采的設(shè)計(jì)布局，有效回避主要地質(zhì)異常帶的影響，不可避免時(shí)，采取有效措施；近距離煤層群開采時(shí)，注重先開采煤層對后開采煤層的影響，后采煤層工作面布置于卸壓區(qū)。

技術(shù)方面：注重錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)作用，注重錨桿在支護(hù)系統(tǒng)中的作用，增大錨桿支護(hù)預(yù)緊扭矩，當(dāng)錨索漲拉力15 t時(shí)，φ22錨桿的預(yù)緊力6 t(扭矩應(yīng)不小于200 N·m)，提高錨桿、錨索的利用效率。

時(shí)空方面：合理安排采掘接替關(guān)系，縮短支護(hù)材料服務(wù)時(shí)間。

施工方面：為提高錨具自鎖能力，一方面可以減小摩擦角，可通過提高表面光潔度、涂油脂和蠟等方法來實(shí)現(xiàn)，尤其杜絕錨具使用前受井下環(huán)境污染；另一方面夾片的質(zhì)量對錨具的性能產(chǎn)生重要影響，應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)量把控。

安全管理：加強(qiáng)巷道安全巡查工作，建立臺(tái)賬，對礦壓顯現(xiàn)劇烈的巷道及時(shí)采取加固防護(hù)措施。

4 結(jié)論

(1)1632(3)工作面軌順巷道布置位置不合理，巷道走向平行于斷層走向，承受較大的構(gòu)造應(yīng)力，導(dǎo)致其塑性區(qū)范圍較大；斷錨點(diǎn)處于下伏工作面1642(1)邊界煤柱應(yīng)力集中影響范圍內(nèi)，導(dǎo)致巷道承受較大的圍巖應(yīng)力。

(2)錨桿初始支護(hù)阻力低，沒能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)能效，導(dǎo)致巷道淺部圍巖自承能力差，應(yīng)力過度往深部圍巖轉(zhuǎn)移，未實(shí)現(xiàn)錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)；安裝錨索鎖具，預(yù)拉張緊時(shí)，夾片進(jìn)入錨環(huán)深淺不一，導(dǎo)致錨索偏載；錨索長時(shí)間使用，易導(dǎo)致錨索錨具自鎖能力不足，導(dǎo)致錨索退錨，局部鋼絞線達(dá)到承載極限發(fā)生破斷。

(3)在防范回采工作面巷道頂板錨索破斷事故時(shí)，應(yīng)結(jié)合該事故發(fā)生原因，從地質(zhì)方面、設(shè)計(jì)方面、技術(shù)方面、時(shí)空方面、施工方面、安全管理6個(gè)方面嚴(yán)格執(zhí)行保障措施。