巷道錨桿無損檢測及其應用分析

柏新宇

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

1 錨桿支護質量監(jiān)測方法

井下巷道對錨桿支護質量的監(jiān)測主要有兩種方法：一種是利用深孔多點位移計、位移收斂計、頂板離層指示儀等進行位移監(jiān)測，位移是力作用的累積效應，因此這種監(jiān)測在時間上是滯后的，時效性差。另一種是利用扭矩扳手、測力錨桿、拉拔計、液壓枕式測力計等進行受力檢測。扭矩扳手測力只能通過測試錨桿安裝時的扭矩來估算預緊力，其準確率低；測力錨桿、拉拔計這兩種受力檢測手段只能進行點檢測，并不能實行面檢測；液壓枕式測力計是利用液壓千斤頂進行拉拔試驗來測定錨桿的錨固力(最大承載能力)，無法檢測錨桿的受力狀態(tài)，且這種檢測手段既費工又費時，更重要的是這種檢測手段對經錨桿加固的巷道產生較強的擾動，降低了錨桿對圍巖的加固作用，而且僅限于個別抽查。尤其對于一些特殊區(qū)域，如頂板受力變形異常區(qū)域，上述兩種方法無法安全、高效地檢測錨桿受力特征，從而局部區(qū)域錯過最佳支護補強，導致煤礦安全生產存在顯著隱患。

基于以上監(jiān)測方式存在的局限性，常村煤礦根據礦井地質與巷道支護條件，使用CMW3.7礦用本安型錨桿無損檢測儀對頂板異常區(qū)域錨桿支護質量和工作載荷進行隨機、實時、無損檢測[1]，為頂板異常區(qū)錨桿支護優(yōu)化設計提供理論依據。

2 錨桿支護質量檢測區(qū)域及方案

2.1 頂板穩(wěn)定區(qū)域檢測地點及方案

常村煤礦S5-16工作面軌道巷420～490 m位置處無任何地質構造，頂板平整、煤墻無片幫現(xiàn)象，完整性好，選擇此段區(qū)域作為頂板穩(wěn)定區(qū)錨桿支護質量檢測位置。

S5-16工作面軌道巷頂板穩(wěn)定區(qū)域錨桿檢測布置如圖1所示，巷道錨桿排距為1 000 mm。每隔10 m檢測一組數據，其中同一檢測斷面頂板布置2根錨桿，巷道幫布置1根錨桿，持續(xù)追蹤檢測8個斷面，累計檢測錨桿共24根。

圖1 S5-16工作面軌道巷測點布置

2.2 陷落柱影響區(qū)域檢測地點及方案

受陷落柱影響巷道錨桿軸力檢測選取在S5-16工作面軌道巷：①距S5-16工作面軌抽聯(lián)巷88.66 m；②DX28-12陷落柱保護煤柱穿越區(qū)域；③距DX28-12陷落柱垂直距離60 m；④選取檢測范圍134 m。具體檢測區(qū)域布置如圖2所示。

圖2 S5-16軌道巷陷落柱影響區(qū)域錨桿受力檢測位置布置

巷道錨桿排距為1 000 mm，每隔18 m檢測一組數據，其中同一檢測斷面頂板布置2根錨桿，巷道幫布置1根錨桿，持續(xù)跟蹤檢測8個斷面，累計檢測錨桿共24根。

2.3 斷層影響區(qū)域檢測地點及方案

錨桿軸力檢測選在N3-10工作面膠帶巷：① 距N3-10切眼210～270 m范圍內；② 斷層影響區(qū)域(Fj164附近)。

N3-10工作面膠帶巷切眼往外210～270 m區(qū)域內檢測錨桿布置及巷道支護情況，如圖3和圖4所示。沿工作面回采方向，依次對頂板錨桿進行編號。此次僅對頂板錨桿受力狀況進行跟蹤檢測，布置間距為5 m，累計檢測13根錨桿。其中，在11號錨桿附近存在有一隱伏斷層(Fj164斷層)。

圖3 N3-10工作面膠帶巷檢測錨桿布置

圖4 N3-10膠帶巷測試錨桿布置情況

3 錨桿受力檢測結果及分析

3.1 頂板穩(wěn)定區(qū)域錨桿受力測試結果及分析

S5-16工作面軌道巷420～490 m位置頂部、幫部錨桿軸力隨著掘進工作面距離變化情況，如圖5所示。

圖5 S5-16工作面軌道巷420～490 m位置錨桿軸力隨掘進工作面距離變化情況

由圖5可知：①隨巷道推進距離的不斷增加，頂、幫錨桿軸力均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且增加幅度逐漸變?。虎诋斚锏谰蜻M150 m左右時，后方頂錨桿軸力范圍約62～74 kN，幫錨桿軸力范圍約61～70 kN，基本已達到穩(wěn)定狀態(tài)，受開挖擾動較小；③當達到穩(wěn)定期時，頂錨桿軸力平均為66.5 kN，幫錨桿軸力平均64 kN，兩者數值相差較小，支護效果較好。此外，當巷道頂板達到穩(wěn)定時頂板錨桿軸力僅達到極限值的45.3%，幫部錨桿軸力僅達到極限值的43.7%，均遠未達到極限值的80%，說明錨桿軸向受力有極大富余，表面錨桿作用偏強，錨桿支護作用未充分發(fā)揮其自身的承載作用。

3.2 陷落柱影響區(qū)錨桿受力測試結果及分析

S5-16工作面軌道巷88.66～222.66 m位置頂板及幫錨桿軸力隨掘進工作面距離變化情況，如圖6所示。

圖6 S5-16工作面軌道巷88.66～222.66 m位置錨桿軸力隨掘進工作面距離變化情況

從圖6可以看出，頂板D1-5、D2-2、D2-7三根錨桿均出現(xiàn)異常：①D1-5錨桿隨掘進工作面距離的增加緩慢增大，但增加幅度相較于其他錨桿較小，錨桿軸力范圍僅為51～58 kN；②D2-2錨桿軸力整體偏小，且隨掘進距離增大錨桿軸力減小，最小值為43 kN，說明該位置錨桿可能已失效，需進行補強支護；③D2-7錨桿軸力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但增加幅度逐漸減小，經現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)錨桿托盤與圍巖之間沒有充分接觸，可能為錨桿受力變化較小的原因。

幫錨桿B1-1—B1-5范圍內，當巷道掘進至5～30 m時，錨桿軸力出現(xiàn)重新分配現(xiàn)象，軸力分布呈鋸齒狀交叉分布，可能是由于幫部錨桿托盤安裝時，提供的預緊力不足，當巷道掘進30 m以外，巷道兩幫出現(xiàn)輕微變形，托盤與巷道幫部充分接觸，錨桿軸力大幅提高。

3.3 采動影響區(qū)域錨桿受力檢測結果及分析

受采動影響巷道錨桿軸力檢測選取在N3-10工作面膠帶巷，錨桿受力檢測期間N3-10工作面正處于正?；夭呻A段，其錨桿軸力隨回采距離變化情況如圖7所示。

圖7 N3-10工作面膠帶巷頂板錨桿軸力檢測結果

從圖7可以得出：①在距采煤工作面0～20 m范圍內，頂板錨桿軸力波動較大，軸力有增大有減小，說明頂板錨桿位于礦壓急劇變化調整區(qū)域，最大幅度達45%，受采動影響較大；在20 m范圍以外，頂板錨桿軸力變化不大，平均變化幅度在3%左右，為錨桿軸力相對穩(wěn)定區(qū)域，說明20 m開外區(qū)域受采動影響較小。②對比回采距離210 m曲線、回采距離215 m曲線，以及回采距離230 m曲線、回采距離235 m曲線分析可見，在回采距離為210～215 m范圍內，直接頂垮落前后，回采距離為230～235 m范圍內老頂垮落前后，頂板錨桿軸力在頂板來壓前后由應力集聚到應力釋放的過程。同時，超前支承壓力呈現(xiàn)向前推移現(xiàn)象。

3.4 斷層影響區(qū)錨桿受力測試結果及分析

距N3-10工作面切眼250～260 m范圍內，巷道有一斷面異常處，巷道底板由一定坡度轉為平緩、巷道斷面增大。在經過10 d的巷道頂板軸力測試后發(fā)現(xiàn)，頂板錨桿軸力一直在增大，增幅達124%。利用頂板異常區(qū)域錨桿錨固質量檢測系統(tǒng)的長度檢測模塊，對錨桿特征信號進行處理，得到斷層影響區(qū)錨桿特征參數，檢測結果如表1所示。

表1 現(xiàn)場錨桿錨固長度無損檢測結果

由表1可以看出，N3-10工作面回采期間距離斷層較遠區(qū)域，錨桿錨固長度與理論值相差較小，誤差控制在5%以內；在斷層附近，錨桿錨固長度減小明顯，主要是受采動影響，斷層區(qū)域裂隙帶擴大，斷層周邊頂板破碎嚴重，錨固劑沿著煤體裂隙流失，導致錨固長度偏小。因此，在斷層附近應增加錨固劑數量，并采取增加錨桿或錨索數量方式進行補強支護。

4 頂板異常區(qū)域錨桿支護質量評價與支護建議

4.1 頂板異常區(qū)域錨桿支護質量評價

1) 回采及掘進對異常區(qū)頂板錨桿支護質量影響顯著。在距采煤工作面0～20 m范圍內，受采動影響嚴重，錨桿軸力變化較大，錨桿軸力先增大至峰值后減小；距工作面10～20 m范圍內，為超前支承壓力區(qū)；在15 m處，形成超前支承壓力峰值；隨著老塘空頂距離的增加，支承壓力峰值距工作面距離有增大趨勢(從15 m增至20 m左右)；在距采煤工作面5～10 m范圍內，隨著工作面往前推進，錨桿軸力通常呈逐漸增加趨勢；在距采煤工作面0～5 m范圍內，錨桿軸力通常減小，為應力釋放區(qū)；在20 m開外距離，錨桿軸力受采動影響較小，錨桿軸力變化不大[2]。

2) 錨桿錨固長度在斷層帶附近相較于斷層帶影響區(qū)域以外較小，錨固段長度最小值為1 055 mm。

3) 通過錨桿軸力變化可發(fā)現(xiàn)巷道隱性危險區(qū)域，例如Fj164斷層周圍錨桿軸力持續(xù)增大，說明隱性斷層存在或者斷層存在活化現(xiàn)象。

4) 通過對陷落柱影響區(qū)錨桿進行受力檢測發(fā)現(xiàn)，隨著巷道掘進距離的不斷增加大部分錨桿軸力呈現(xiàn)逐漸增加的變化特征，且待巷道穩(wěn)定后其軸力基本達到65～75 kN；但是較穩(wěn)定區(qū)檢測結果，頂板錨桿異常數量略有增加。

4.2 采動影響下頂板異常區(qū)錨桿支護建議

1) 加強錨桿支護質量檢測力度，實時、動態(tài)了解錨桿錨固效果。針對陷落柱及斷層附近圍巖較為破碎，建議每日對該區(qū)域內的錨桿錨固質量進行抽檢，及時分析檢測數據，對巷道局部受力異常錨桿以及失效錨桿區(qū)域立即采取補打錨桿、錨索等方式進行補強支護，以防巷道發(fā)生局部整體性失穩(wěn)。

2) 采取改變支護方式和注漿加固等措施，提高頂板自身承載能力。對于類似陷落柱、斷層等異常區(qū)域附近圍巖破碎，頂板自身承載能力弱，破碎巖體附近錨桿錨固長度要小于設計錨固長度，錨桿無法起到設計的錨固效果。建議錨索采用鋼筋托梁橫向連接，實現(xiàn)耦合支護，必要時采取先注漿加固頂板后支護的方式。