采動(dòng)影響下巷道斷層區(qū)頂板錨桿錨固質(zhì)量檢測與支護(hù)建議

董 飛

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采動(dòng)影響下巷道斷層區(qū)頂板錨桿錨固質(zhì)量檢測與支護(hù)建議

董 飛

(潞安環(huán)能股份有限公司常村煤礦，山西 長治市 046032)

利用錨桿錨固質(zhì)量無損檢測系統(tǒng)，對山西常村煤礦N3-10采煤工作面皮帶順槽頂板錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)檢測，重點(diǎn)分析采動(dòng)影響斷層區(qū)域錨桿受力的變化特征。研究結(jié)果表明：距采煤工作面0~20 m范圍內(nèi)，錨桿軸力變化較為顯著，該區(qū)域?yàn)椴蓜?dòng)影響區(qū)，并且隨著采動(dòng)距離的推進(jìn)，超前支承壓力前移；斷層區(qū)頂板錨桿軸力隨工作面推進(jìn)逐漸增大，并且其錨桿長度顯著小于施工設(shè)計(jì)值，采動(dòng)影響顯著；針對斷層區(qū)頂板錨桿受力及錨固長度受采動(dòng)的影響特征，給出了相應(yīng)的支護(hù)建議。研究結(jié)果可為斷層區(qū)頂板錨桿錨固質(zhì)量檢測提供新的手段，以及支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

斷層區(qū)域；錨桿受力；特征長度；無損

0 引 言

錨桿支護(hù)是我國煤礦巷道支護(hù)的主要方式，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，錨桿支護(hù)約占巷道全部支護(hù)量的80%，其錨固質(zhì)量是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障[1?2]。但是，由于復(fù)雜地質(zhì)條件及采動(dòng)等因素的影響，很多巷道工程中錨桿支護(hù)質(zhì)量難以控制，錨桿支護(hù)巷道經(jīng)常出現(xiàn)開裂、脫落和破壞現(xiàn)象，甚至發(fā)生頂板冒落等質(zhì)量事故[3?5]。特別對于受到采動(dòng)影響的斷層等異常頂板區(qū)域，巷道穩(wěn)定支護(hù)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

通過有效的手段檢測錨桿支護(hù)質(zhì)量是掌握支護(hù)系統(tǒng)安全性能的重要途徑[6?7]。當(dāng)前，煤礦巷道錨桿錨固質(zhì)量檢測主要有兩種方法[8]：一是以深孔多點(diǎn)位移計(jì)等為代表的位移檢測方法，由于位移是力作用的累積效應(yīng)，因此這種檢測的時(shí)效性較差；二是以扭矩拔手、測力錨桿等為代表的受力檢測方法，這類檢測方法大多屬于檢測錨桿的錨固力(最大承載能力)，屬于有損檢測方法，同時(shí)不能進(jìn)行大范圍的檢測。對于存在斷層等巷道頂板區(qū)域，上述兩種方法無法安全、高效的檢測錨桿受力特征，導(dǎo)致局部區(qū)域錯(cuò)過最佳支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)機(jī)，煤礦安全生產(chǎn)存在顯著隱患。

本文將利用CMW3.7礦用錨桿無損檢測系統(tǒng)[9]，對山西常村煤礦N3-10采煤工作面皮帶順槽，頂板斷層附近受采動(dòng)影響下的錨桿錨固質(zhì)量特性進(jìn)行檢測，分析采動(dòng)過程中頂板來壓規(guī)律，并給出相應(yīng)的巷道支護(hù)建議，為采動(dòng)影響下存在斷層區(qū)域的頂板巷道支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)與檢測方案

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本次測試在山西常村煤礦N3-10采煤工作面皮帶順槽，該工作面開采的3＃開采水平為?506 m，順槽老頂為中粒砂巖，直接頂為粉砂巖，巷道頂?shù)装遢^為完整。巷道平均凈寬5 m，平均凈高3.3 m，平均凈斷面16.5 m2，采用預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+金屬經(jīng)緯網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)。

1.2 檢測方案

檢測地點(diǎn)距N3-10切眼210~270 m范圍內(nèi)，其中，在測試范圍內(nèi)距切眼250~260 m內(nèi)存在揭露斷層Fj164(落差1.9 m，傾角80°)。沿工作面回采方向，依次對頂板錨桿進(jìn)行編號，分別為1#、2#、……，布置間距為5 m，共檢測13根錨桿。其中，11號錨桿在斷層影響范圍內(nèi)。開始測試時(shí)，回采工作面已推進(jìn)至測試起點(diǎn)。

2 采動(dòng)影響下錨桿錨固質(zhì)量變化規(guī)律及分析

2.1 錨桿軸向受力特征變化規(guī)律

圖1給出了不同回采距離下各錨桿的受力檢測結(jié)果。從圖1中可以看出，不同位置(與1#錨桿距離)錨桿軸力差異很大，并且受采動(dòng)影響變化顯著。

(1) 采動(dòng)影響區(qū)的確定。通過軸力檢測結(jié)果，能夠確定回采過程中巷道頂板受采動(dòng)影響區(qū)的范圍：在距采煤工作面0~20 m范圍內(nèi)，頂板錨桿軸力波動(dòng)較大，軸力有增大有減小。這說明頂板錨桿位于礦壓急劇變化調(diào)整區(qū)域，最大幅度達(dá)45%，受采動(dòng)影響較大；在20 m范圍以外，頂板錨桿軸力變化不大，平均變化幅度為3%左右，屬錨桿軸力相對穩(wěn)定區(qū)域，這說明20 m開外區(qū)域受采動(dòng)影響較小。

圖1 回采過程中測試錨桿軸力變化特征

此外，從圖1可以看出：回采距離由210 m增加到235 m時(shí)，斷層處11#錨桿受力由18 kN增加到68 kN，提高近3倍。由此可見，通過錨桿軸力的無損測試，可以獲取巷道頂板異常斷面信息。基于以上信息可以對回采過程中采動(dòng)影響區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖2 所示。

(2) 頂板礦壓變化特征。除了能夠確定采動(dòng)影響范圍之外，通過錨桿軸力特征同樣可以反映回采過程中的頂板礦壓規(guī)律。

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曲線分析可知，在回采距離為210~215 m范圍內(nèi)，直接頂垮落前后，回采距離為230~235 m范圍內(nèi)，老頂垮落前后，頂板錨桿軸力在頂板來壓前后由應(yīng)力集聚到應(yīng)力釋放的過程。同時(shí)，超前支承壓力呈現(xiàn)向前推移現(xiàn)象。以6#錨桿為例，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)到235 m時(shí)，老頂來壓，頂板錨桿軸力減小達(dá)25 kN，降幅達(dá)到45%，超前支承壓力前移。

2.2 錨桿錨固特征長度變化規(guī)律

利用錨桿錨固質(zhì)量無損檢測系統(tǒng)，得到了回采過程中影響范圍內(nèi)的錨固全長與錨固長度(見表1)。從表1可以看出，N3-10工作面回采期間離斷層較遠(yuǎn)區(qū)域，錨桿錨固長度與初始施工的設(shè)計(jì)值相差較小，誤差基本控制在5%以內(nèi)；在斷層附近，錨桿錨固長度顯著小于設(shè)計(jì)值，這主要是與采動(dòng)影響下斷層帶大量裂隙擴(kuò)展，斷層周邊頂板較破碎，錨固劑沿裂隙流失有關(guān)。因此，在斷層附近應(yīng)增加錨固劑數(shù)量，并采取其他方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

表1 錨桿特征長度無損檢測與設(shè)計(jì)值的差異

3 采動(dòng)影響下斷層區(qū)頂板錨桿支護(hù)建議

頂板斷層異常區(qū)是煤礦安全生產(chǎn)的重要隱患，及時(shí)掌握錨桿錨固質(zhì)量及支護(hù)結(jié)構(gòu)整體可靠性是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，對斷層區(qū)頂板錨桿支護(hù)提出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 加強(qiáng)錨桿錨固質(zhì)量檢測力度，形成完善的檢測及監(jiān)測體系。實(shí)時(shí)了解錨桿錨固效果是支護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測的重要內(nèi)容，對可能存在安全隱患的錨桿進(jìn)行每日錨固質(zhì)量檢測。

(2) 及時(shí)反饋檢測結(jié)果，局部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。斷層附近圍巖較為破碎，采動(dòng)影響期不穩(wěn)定因素增加，錨桿錨固失效時(shí)有發(fā)生，建議巷道掘進(jìn)及回采過程中，加強(qiáng)該區(qū)域錨桿錨固質(zhì)量檢測力度，并及時(shí)反饋檢測結(jié)果，對局部受力異常錨桿或失效錨桿及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以防發(fā)生局部整體性失穩(wěn)。

(3) 局部注漿加固，提高頂板自身承載能力。斷層區(qū)附近圍巖破碎程度較高，頂板自身承載能力較弱，常規(guī)錨桿支護(hù)效果不佳。從測試結(jié)果可以看到，破碎巖體附近錨桿錨固長度要小于設(shè)計(jì)錨固長度，錨桿無法起到設(shè)計(jì)的錨固效果。因此，對于斷層或陷落柱附近較為破碎的頂板巖層建議錨索采用鋼筋托梁橫向連接，實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)，必要時(shí)采用先注漿后支護(hù)的方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

4 結(jié) 論

(1) 錨桿軸向受力檢測結(jié)果表明，在距采煤工作面0~20 m范圍內(nèi)，頂板錨桿軸力波動(dòng)較大，為采動(dòng)影響范圍區(qū)域；頂板錨桿軸力在頂板來壓前后由應(yīng)力集聚到應(yīng)力釋放的過程，超前支承壓力呈現(xiàn)向前推移現(xiàn)象。

(2) 斷層處錨桿軸力隨回采的接近逐漸增大，說明可以通過錨桿軸力的變化特征，獲取巷道頂板異常斷面信息；斷層附近，采動(dòng)影響下錨桿錨固長度顯著小于施工設(shè)計(jì)值，需進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)。

(3) 根據(jù)檢測結(jié)果，給出了斷層區(qū)頂板錨桿支護(hù)建議，包括：加強(qiáng)錨桿錨固質(zhì)量檢測力度、局部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、局部注漿加固等。

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(2018?10?01)

董 飛(1985—)，男，山西運(yùn)城人，主要從事煤礦技術(shù)及管理工作，Email: 13753501563@qq.com。