煤巷頂板錨桿支護(hù)失效故障分析

紀(jì)元春

(大同煤礦集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037017)

0 引言

錨桿支護(hù)在煤礦礦井生產(chǎn)中是一種較為主要的支護(hù)方式，自1956年就開始在我國煤礦井下生產(chǎn)中逐步推廣，其支護(hù)理論、設(shè)計(jì)、加工、使用以及測試都具有相當(dāng)完善的體系[1-3]。但是隨著開采深度、開采環(huán)境的改變，被支護(hù)環(huán)境內(nèi)地質(zhì)條件更加復(fù)雜，如針對松軟圍巖、裂隙及節(jié)理發(fā)育等條件處的支護(hù)技術(shù)相對落后，支護(hù)理論多采用經(jīng)驗(yàn)法和半經(jīng)驗(yàn)法，缺少對隨機(jī)性和不確定性因素的管控，同時(shí)由于實(shí)際生產(chǎn)中檢測設(shè)備、技術(shù)缺乏和管理、操作不到位等方面的原因，煤礦生產(chǎn)發(fā)生了一些錨桿支護(hù)失敗的案例，同時(shí)也造成了大量的冒頂事故[5-6]。

該類事故的發(fā)生不僅是單純的經(jīng)濟(jì)損失，對錨桿支護(hù)技術(shù)的廣泛開展也造成嚴(yán)重的影響。為此，如何有效及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)防和處置錨桿支護(hù)失效事故，消除和減少事故發(fā)生幾率，需要進(jìn)行探究。事故樹分析法在安全系統(tǒng)工程中占據(jù)主要位置，它能透析事故直接和潛在的致因，直觀和清晰地表述出各事件中的邏輯聯(lián)系，是當(dāng)前對各類系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)和評價(jià)的主要方法。本文通過事故樹分析法對井下冒頂事故中各類原因進(jìn)行分析，解析各事件重要程度，為以后煤礦正常生產(chǎn)中煤巖巷錨桿支護(hù)工作提供重要的參考。

1 事故樹分析原理及分析程序

事故樹又稱為故障樹(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)，該方式為演繹分析法，根據(jù)圖論中邏輯門將各個(gè)子事件相互關(guān)聯(lián)[6-7]。安全系統(tǒng)工程中很多針對各類系統(tǒng)危險(xiǎn)源和系統(tǒng)危險(xiǎn)狀態(tài)的辨識(shí)都采用該方法，能夠透析事故潛在因素，直接點(diǎn)出事故直接原因。事故樹中將最終事件作為頂上事件，對實(shí)際事故也可進(jìn)行預(yù)估。事故樹分析法在使用過程中，應(yīng)全面理解整個(gè)事件，分析和查找危險(xiǎn)源，同時(shí)正確按照分析法操作流程進(jìn)行分析，圖1為事故分析流程示意圖。在圖1中，主要環(huán)節(jié)有兩個(gè)：首先是事故樹的建立，要合理、科學(xué)、客觀的建立完整的事故樹就需要以大量的分析(資料分析與事故調(diào)查)作為基礎(chǔ)；其次，建立事故樹后，要進(jìn)行分析，既要進(jìn)行定性分析，也要進(jìn)行定量計(jì)算。

圖1 事故分析流程示意圖

在事故樹分析模型中包含定量和定性分析兩種，由于我國在各類井用設(shè)備、井下作業(yè)人員失誤率等方面缺少較為系統(tǒng)和準(zhǔn)確的評測，相應(yīng)進(jìn)行定量分析可能會(huì)具有很大差異性。側(cè)重于對礦井井巷頂板錨桿支護(hù)失效事件進(jìn)行定性分析。

2 圍巖失穩(wěn)機(jī)理和錨桿支護(hù)影響因素分析

2.1 煤巖巷失穩(wěn)機(jī)理

地質(zhì)結(jié)構(gòu)中尤其是含煤地層中，巖體結(jié)構(gòu)分布呈層狀分布，不同圍巖由于巖性差異會(huì)表現(xiàn)出不同力學(xué)特性[8-10]。煤、巖巷淺部圍巖多為復(fù)合結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成的井巷頂、底、兩幫等巖性在力學(xué)特征及強(qiáng)度上存在較大差異性，該類結(jié)構(gòu)通常會(huì)形成巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)，同時(shí)弱結(jié)構(gòu)及弱結(jié)構(gòu)體為巷道圍巖易失穩(wěn)點(diǎn)，所以巷道淺部圍巖穩(wěn)定性的狀態(tài)會(huì)直接影響整個(gè)井巷穩(wěn)定性狀態(tài)。井巷工程中支護(hù)失效案例中：當(dāng)錨桿支護(hù)方式不能起到穩(wěn)定井巷作用時(shí)，井巷形成后內(nèi)部各巖層結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力重新分布，弱結(jié)構(gòu)體最先出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，并逐漸出現(xiàn)該結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)部破壞面裂隙繼續(xù)發(fā)育，進(jìn)一步沿破壞面出現(xiàn)巖層滑動(dòng)、變形等問題，當(dāng)弱結(jié)構(gòu)圍巖變形破壞到一定程度，最終導(dǎo)致巷道內(nèi)其他巖層變形破壞形成巷道失穩(wěn)。同時(shí)由于破壞面形成的隨機(jī)性和差異性，破壞形式和破壞面都呈不同狀態(tài)。

2.2 影響煤巷錨桿支護(hù)頂板安全因素分析

錨桿支護(hù)參數(shù)的選?。嚎茖W(xué)選擇礦井井巷支護(hù)中如錨桿類型、錨桿長度、直徑、錨桿布置與間、排距等參數(shù)以及預(yù)張力錨桿支護(hù)的使用對支護(hù)效果十分重要。錨桿參數(shù)選取的基礎(chǔ)是保證對井巷支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保無冒落、片幫、下沉等事故，同時(shí)最大限度減少不必要的浪費(fèi)。當(dāng)前應(yīng)用于現(xiàn)場的錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算方法以理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)類比法兩種為主。出于計(jì)算便捷，生產(chǎn)現(xiàn)場中多根據(jù)巖性特點(diǎn)以采用經(jīng)驗(yàn)類比法為主直接確定支護(hù)參數(shù)，因此合理研究巖性特點(diǎn)，是正常選擇錨桿支護(hù)參數(shù)的重要內(nèi)容之一。

支護(hù)材料配置：錨桿支護(hù)各零配件都有其必要的設(shè)計(jì)要求，如鉆孔、錨桿、錨固劑在實(shí)際使用過程中應(yīng)確保三徑匹配，同時(shí)確保正常操作流程，間隙不匹配、錨固劑選擇和調(diào)配問題、鉆孔內(nèi)是否存在碎屑等都會(huì)影響錨固效果。同時(shí)錨桿支護(hù)系統(tǒng)中還包含托盤、墊片、螺母等部件，加上錨桿桿體，各配件尺寸、質(zhì)量、強(qiáng)度最終都會(huì)影響錨桿工作效率。

錨桿支護(hù)施工及管理水平：礦井生產(chǎn)中有效的工序銜接是提高生產(chǎn)效率和保障作業(yè)安全的前提保證。井巷頂板控制中尤其是快速掘進(jìn)和有效支護(hù)的銜接是十分重要的。當(dāng)前快速的生產(chǎn)節(jié)奏中掘進(jìn)速度較快，同時(shí)井巷中進(jìn)行錨桿支護(hù)正規(guī)支護(hù)作業(yè)工序較為繁復(fù)，對工時(shí)和人力要求較多，部分情況下會(huì)導(dǎo)致為追趕掘進(jìn)速度而進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)作業(yè)，期間極易出現(xiàn)錨桿支護(hù)實(shí)際錨固力低于設(shè)計(jì)值的情況，最終導(dǎo)致錨桿支護(hù)效果低下。這類問題不單純是技術(shù)水平和操作人員責(zé)任心的問題，更是管理制度不完善和管理松散造成的。

礦壓監(jiān)測技術(shù)：井巷工程中錨桿支護(hù)作業(yè)屬于隱蔽性工程，從表象上只有在支護(hù)失效的后期出現(xiàn)明顯片幫、冒落、下沉等現(xiàn)象才能發(fā)現(xiàn)，通過礦壓檢測能有效及時(shí)了解到錨桿支護(hù)的可靠性和有效性，可以有針對性地進(jìn)行施工檢測和跟蹤檢測。當(dāng)前部分礦井針對頂板的監(jiān)測沒有完整的體系和手段，同時(shí)對礦壓等問題的管理缺失，所以如何有效監(jiān)控礦壓及具有完善管理制度對錨桿支護(hù)效果和可靠性能都有十分重要的意義。

3 煤巖巷支護(hù)失效事故模型

3.1 失效事故模型的最小割集與最小徑集

根據(jù)對影響煤巖巷支護(hù)失效導(dǎo)致頂板事故的各因素進(jìn)行分析，總結(jié)以往支護(hù)失效案例，構(gòu)造事故樹模型如圖2所示。在圖2事故樹模型中，中間事件主要包括支護(hù)方案不合理(A1)、錨桿質(zhì)量不合格(A2)、施工管理水平差(A3)、礦壓監(jiān)測效果差(A4)，每個(gè)中間事件又分別由多個(gè)因素組成。各因素含義見表1～表4。

圖2 煤巖巷支護(hù)失效頂板事故模型

表1 造成支護(hù)方案不合理的底事件因素

表2 造成錨桿質(zhì)量不合格的底事件因素

表3 造成施工管理水平差的底事件因素

表4 造成礦壓監(jiān)測效果差的底事件因素

根據(jù)事故樹模型中各影響因素的邏輯關(guān)系，確定事故樹中的最小割集。

T=A1+A2+A3+A4

=B1+B2+B3+B4+A3+A4

=x1+x2+x3+x4+x5x6x7x8x9+x10+x11+x12+x13+x14+x15+x1617x18x19x20+x21+x22+x23+x24

經(jīng)過各基本事件帶入可以得到最小割集15個(gè)：

K1=(x1);K2=(x2);K3(x3);K4=(x4);K5=(x5，x6，x7，x8，x9);K6=(x10);K7=(x11);K8=(x12);K9=(x13);K9=(x14);K10=(x15);K11=(x16，x17，x18，x19，x20);K12=(x21);K13=(x22);K14=(x23);K15=(x24)。

通過將事故樹中各事件的邏輯關(guān)系的與或門進(jìn)行變換，并通過最小徑集計(jì)算得出該事故樹的25個(gè)最小徑集，分別為：

P1=(x1，x2，x3，x4，x13，x14，x15，x21，x22，x23，x5，x16);P2=(x1，…，x23，x5，x17);P3=(x1，…，x23，x5，x18);P4=(x1，…，x23，x5，x19);P5=(x1，…，x23，x5，x20);P6=(x1，…，x23，x6，x16);P7=(x1，…，x23，x6，x17);P8=(x1，…，x23，x6，x18);P9=(x1，…，x23，x6，x19);P10=(x1，…，x23，x6，x20);P11=(x1，…，x23，x7，x16);P12=(x1，…，x23，x7，x17);P13=(x1，…，x23，x7，x18);P14=(x1，…，x23，x7，x19);P15=(x1，…，x23，x7，x20);P16=(x1，…，x23，x8，x16);P17=(x1，…，x23，x8，x17);P18=(x1，…，x23，x8，x18);P19=(x1，…，x23，x8，x19);P20=(x1，…，x23，x8，x20);P21=(x1，…，x23，x9，x16);P22=(x1，…，x23，x9，x17);P23=(x1，…，x23，x9，x18);P24=(x1，…，x23，x9，x19);P25=(x1，…，x23，x9，x20)。

3.2 事故樹模型結(jié)構(gòu)重要度

較為常用的結(jié)構(gòu)重要度求解方法為

(1)

由此各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序如下

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=Iφ(21)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)>Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19)=Iφ

(20)

4 結(jié)論

(1)通過事故致因機(jī)理分析得出事故樹頂上事件的各基本事件有24個(gè)，其都對支護(hù)失效和頂板冒落事故存有潛在影響。

(2)在建立的頂板冒落事故樹模型中，對最小割集和最小徑集進(jìn)行分析和計(jì)算，得出能夠?qū)е轮ёo(hù)失效產(chǎn)生的最小割集有15個(gè)，能避免支護(hù)失效事件的最小徑集有25個(gè)，同時(shí)對結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算，分析得出對錨桿支護(hù)失效事件影響度依次排布為：支護(hù)方案不合理、錨桿質(zhì)量不合理，施工管理水差，礦壓監(jiān)控效果差。

(3)事故樹評價(jià)能有效對事件中頂板安全性能進(jìn)行有效定性評價(jià)，具有很好的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)在今后的工作中如能進(jìn)一步將煤巖巷頂板支護(hù)失效的各事件發(fā)生概率及其他數(shù)據(jù)匯總成有效數(shù)據(jù)庫，對以后對頂板錨桿支護(hù)失效事件的定量分析會(huì)有巨大的幫助。