煤礦上下煤層同時開采錨桿（索）受力監測技術研究

摘 要：由于地方小煤礦安全基礎薄弱、煤礦開采技術力量不足，導致我國煤礦事故頻發，不但對從事煤礦生產人員的身體健康帶來危害，同時也給國家經濟帶來很大損失，影響我國在國際社會的國家形象。為此從2007年后半年開始，國家要求國有大型煤礦企業托管或者整合地方小煤礦企業，利用國有煤礦企業安全管理基礎和技術力量來防范或者杜絕煤礦事故，科學回收國有煤炭資源。但是由于歷史原因，原有小煤礦建設沒有按照設計規劃施工，資源開采沒有按照地質等因素進行采區、采煤工作面布置，導致很多煤礦各個層位均有開采破壞現象，國有企業整合之后考慮國家煤炭資源回收等，下部層煤工作面和上部煤層工作面布置可能出現重疊情況，為了保證上下工作面同時開采時的安全等，需要對上下兩煤的順槽錨桿（索）受力進行監測，文章通過我礦錨桿（索）受力研究實驗，給我礦安全回采提供了有力的頂板壓力數據，保證了我礦安全回采，希望對有此情況的單位有一定幫助。

關鍵詞： 上下煤層；錨桿（索）受力；監測

1 工作面概況

1.1 30205工作面概況

30205工作面開采煤層為山西組3-2#煤層，其煤層賦存狀況序述如下：

3-2號煤層：該煤層全井田穩定可采，上距3-1號煤層8.96～15.16m，平均11.64m，煤層厚度變化不大，為中厚煤層。煤層厚度一般為1.40～4.25m，平均2.1m。厚度變化不明顯。煤層結構大部較簡單，含夾矸0～2層，局部結構復雜，含夾矸可達4層。頂板為砂巖或砂質泥巖、泥巖，底板為泥巖、砂質泥巖或細砂巖。

30205綜采工作面開采方法為單一走向長壁采煤法，一次采全高，頂板處理為全部垮落法，設計采高為2.1m。30205工作面運輸巷斷面設計為矩形： S凈=寬4800mm×高3000mm=14.4m2；S毛=寬5000mm×高3100mm=15.5m2。

1.2 4105工作面概況

4105工作面回風巷掘進煤層為石炭上統太原組含煤地層，該煤層全區穩定。井田大面積為新生界地層覆蓋，近在溝谷中有上石河子組（P2s）地層出露，下石河子組及其以下地層均埋藏于侵蝕基準面以下。地表水及地下水水量很小，水文地質條件簡單。上距3-2號煤層平均23.75m，煤層厚度變化不大，為中厚-厚煤層，厚度3.4-9.2m，平均為6.3m。由東至西呈逐漸變薄趨勢，含夾矸0-3層，結構較復雜。當巷道掘進到鉆孔附近時，封閉不良的鉆孔存在導水可能，因此要密切注意煤層出水和頂板淋水情況，并及時向礦調度。預計巷道最大涌水量3m3/h，正常涌水量0.5～1m3/h。

30205工作面采用綜合機械化開采，4105工作面采用綜放開采。

30205綜采面與4105綜放面位置關系圖：圖上標注工作面當日開采的具體位置。

30205綜采面與4105綜放面位置關系圖

4105運輸巷和回風巷巷道斷面圖如下：

4105運輸順槽巷道斷面圖 4105回風順槽巷道斷面

2 錨桿（索）施工質量監測技術介紹

2.1錨桿對巖體的錨固機理

（1）錨桿與巖體粘結在一起，提高了巖體的整體剛度，增強了巖體抗變形能力，加強了巖體的整體性；

（2）由于錨桿的抗拉作用，當錨桿穿越破碎巖層深入穩定巖層時，對不穩定巖層起著懸吊作用；

（3）對于層狀巖體，由于錨桿的作用，對巖層離層的產生有著一定的阻礙作用，并增大了巖層間的摩擦力，與錨桿本射的抗剪作用阻止巖層間產生相對滑動，從而將各個巖層夾緊形成組合梁，提高了巖層的承載能力；

（4）由于錨桿的作用，改變了邊界巖體的受力狀態，使其由一維應力狀態轉化為三維受力狀態，提高了巖體的承載能力。

2.2 錨桿支護的力學指標

錨固力、預應（緊）力、軸向工作荷載、阻力特性曲線和極限伸長量等。

（1）錨桿錨固力：指錨桿在拉拔試驗中的極限拉力，是錨桿拉出或拉斷時的最小拉力。

（2）預應（緊）力：是安裝錨桿時給其施加的初始錨固力，是及時控制巷道變形的保證；

（3）軸向工作荷載：為巷道變形穩定時錨桿承受的荷載。端部錨固錨桿的拉拔試驗與實際工作時受力狀態一致，是設計計算的主要指標。

（4）阻力特性曲線：即錨桿在拉拔試驗時拉拔力和錨桿變形的關系曲線。按阻力特性可將錨桿分為剛性、增阻式和恒阻式三種。軟巖巷道錨桿的初始錨固力不應小于49kN，終錨力不應小于60kN。錨桿的阻力特性應與軟巖變形特性相匹配。

2.3 30205和4105工作面錨桿（索）施工質量監測內容及方法

（1）錨固力監測

錨桿（索）固力監測是錨桿支護施工質量檢查中最基本的測量工作，其目的為：①了解錨桿實際受力狀況和錨固質量是否達到設計值，是否出現了預應力松弛；②監測錨桿提供的最大錨固力，為錨桿支護設計提供依據。

傳統錨固力大小一般是通過錨桿抗拔力試驗進行監測，以檢查錨桿安裝質量。常見儀器是錨桿拉力計，因為有可能造成圍巖損壞，不能大量普查，但它比較直觀。

（2）錨桿（索）的工作載荷監測

承受荷載測試是測試巷道支護后錨桿實際受力狀態的一種原位測試方法，工作荷載主要反映錨桿和承托巖石物件對圍巖的實際錨固力，是錨桿支護巷道監測的一項重要內容。通過分析錨桿支護軟巖巷道在服務期間錨桿的荷載變化情況，監測錨桿工作狀態，了解錨桿實際受力狀況和錨固質量是否達到設計值，可為調整和修改支護參數提供實測依據。

傳統的錨桿荷載一般用錨桿測力計、液壓枕，不利于大面積使用，若大面積使用，安裝設備較多，費用較高。

注：在支護期間，錨桿或錨索的荷載受到許多因素的影響，導致荷載的不斷變化。所以，需要不斷進行監測，以隨時掌握受力狀態。

（3）錨桿（索）的初始預緊力監測

對錨桿施加初始預緊力是充分發揮錨桿主動支護作用，使其與圍巖共同承載的關鍵。在安裝錨桿時，施加足夠的預緊力可以消除錨桿構件的初始滑移量，增大圍巖抗拉、抗剪能力，防止圍巖過早開裂，減緩圍巖弱化過程。通常錨桿預應力合理范圍，取錨固力的60%-70%；

3 觀測方案

3.1 觀測目的

（1）確定回采工作面運輸順槽和回風順槽受超前支承壓力影響下，錨桿（索）工作載荷變化情況，準確分析回采工作面運輸順槽和回風順槽頂部和幫部壓力顯現特征（支承壓力影響范圍、支承壓力分區及支承壓力集中系數K值）

（2）確定距掘進面不同距離頂部及兩幫錨桿錨索應力分布特征，尤其確定耙矸機前方不支護時，耙矸機后方錨索工作載荷是否在安全范圍值以內

（3）確定巷道拱肩處，頂部、煤柱側巷道斷面不同地點的應力特征。

（4）確定2-2-2型錨索布置情況下的錨索受力特征

（5）確定在回采面前方一定區域，經歷不同時間及周期來壓時，錨桿（索）工作載荷變化特征；

3.2 觀測方案

圖1 4105工作面分布圖

圖2 巷道斷面錨桿（索）布置示意圖

注：圖示所有位置標注均為面向工作面示意圖

（1）確定回采工作面運輸順槽和回風順槽受超前支承壓力影響下，錨桿（索）工作載荷變化情況，準確分析回采工作面運輸順槽和回風順槽頂部和幫部壓力顯現特征（支承壓力影響范圍、支承壓力分區及支承壓力集中系數K值）

對30205工作面運輸順槽和回風順槽從端頭開始監測，在距工作面30m范圍內，錨桿每隔5m監測一個斷面，錨索每隔3m監測一個斷面，每個斷面監測包括斷面上煤柱側幫部錨桿和頂部錨桿共9根錨桿和2根錨索；30m以后，錨桿每隔10m監測一個斷面，錨索每隔9m監測一個斷面，每條巷道監測總長度為50m；

（2）確定距工作面不同距離頂部及煤柱側幫部錨桿、錨索應力分布特征，尤其確定片幫區頂部錨桿、錨索工作載荷是否在安全范圍值以內對4105工作面進行監測，監測區域長50m，每隔3m監測一個斷面，每個斷面監測所有錨桿與錨索；

（3）確定巷道拱肩處，頂部錨桿（索）、煤柱側巷道斷面不同地點的應力特征；

（4）確定2-2-2型錨索布置情況下的錨索受力特征。

在（1）的監測數據中選取錨索工作載荷數據進行分析，確定對2-2-2型錨索布置受超前支承壓力影響時應力分布特征；

在（2）的監測數據中選取錨索工作載荷數據進行分析，確定對2-2-2型錨索布置在沿空巷道不受超前支承壓力影響時應力分布特征；

綜上，最有效而又全面的監測方案如下：

①對30205回風巷端頭至工作面前方50m監測，監測對象為采空區側幫部第一根錨桿、幫部第二根錨桿和幫部第三根錨桿，監測錨桿數共計42根，監測次數為兩次。

②對4105斷層段進行錨桿（索）無損監測，運輸順槽斷層位于距4105綜放面開切眼258m，回風順槽斷層位于距4105綜放面開切眼305m。在斷層兩側分別監測錨桿（索）工作載荷，監測次數為兩次。

③對30205運輸巷端頭至工作面前方50m監測，監測距離50m，每隔5m監測一個斷面，監測對象為斷面所有錨桿（索），監測次數為三次。

④對4105運輸順槽至工作面前方50m，監測距離為50m，監測對象為煤柱側幫部錨桿（普通錨桿）、頂部錨桿（高強錨桿）與錨索，監測次數為兩次。

⑤對4105回風順槽至工作面前方50m，監測距離為50m，監測對象為斷面所有錨桿（普通錨桿）與錨索，監測次數為兩次。

3.3 觀測儀器與評判標準

針對傳統支護監測方法及存在問題，本次監測采用的是CMSW6（A）礦用錨桿（索）無損監測儀（圖2），武漢長盛煤安科技有限公司生產，它的主要特點是能不破壞錨桿（索）的錨固效果、預應力及工作載荷的情況下方便、直接的顯示出工作載荷值等測量數據，而且測試速度快，幾分鐘能完成一根測試；

本次觀測的主要內容包括錨桿安裝質量監測、錨桿錨固力監測和錨桿荷載監測。

（1）錨桿安裝質量監測：主要監測錨桿安裝的角度、間排距以及外露長度、托盤安裝質量等，以確保錨桿施工質量。

（2）錨桿錨固力監測：錨固力大小一般是通過錨桿抗拔力進行監測，以檢查錨桿安裝質量。

（3）錨桿預緊力、軸向工作荷載觀測：觀測錨桿荷載的目的是分析巷道服務期間錨桿荷載變化情況，監測錨桿工作狀態，為調整和修改支護參數提供實測依據。

3.4 煤礦錨桿（索）支護質量無損監測的評判標準

（1）初錨支護狀態

設安裝預應（緊）力設計值為Nc，初始預緊載荷為N，若

①120% Nc>N>=90%Nc，則認為施加預緊力為“優”；

②90% Nc>N>=80%Nc，則認為施加預緊力為“良”；

③80% Nc>N>=60%Nc，則認為施加預緊力為“合格”；

④N<60% Nc，則認為施加預緊力為“差”。

（2）穩定支護狀態

設桿體強度為Ng或錨固力Nm，工作載荷為N，若

①N<30%Ng（或Nm）為“很穩定”， 支護狀態為“優”；

②50%Ng>N>=30%Ng（或Nm）為“較穩定”，支護狀態為“良”；

③70%Ng>N>=50%Ng（或Nm）為“一般穩定”，支護狀態為“合格”；

④N>=70% Ng（或Nm）為“穩定差”，支護狀態為“差”。

（3）采動影響支護狀態

設桿體強度（屈服極限）為Ng或錨固力Nm，工作載荷為N，若

①N<50%Ng（或Nm）為“影響很小”，支護狀態為“優”；

②60%Ng>N>=50%Ng（或Nm）為“影響較小”， 支護狀態為“良”；

③80%Ng>N>=60%Ng（或Nm）為“影響較大”， 支護狀態為“合格”

④N>=80%Ng（或Nm）為“影響很大”， 支護狀態為“差”。

*說明：錨固力要大于桿體的抗拔力，若錨固力小于桿體抗拔力，認為應以實測錨固力為判定條件。

（4）巷道總體支護狀態評價

①若單體“優”達到80%以上，無單體“差”，則認為“巷道總體支護狀態評價”為“優”；

②若單體“良”達到80%以上，無單體“差”，則認為“巷道總體支護狀態評價”為“良”；

③若單體“合格”達到90%，，單體“差”小于10%，則認為“巷道總體支護狀態評價”為“合格”；

④若單體“差”大于30%，則認為“巷道總體支護狀態評價”為“差”。

注：巷道的抽檢率為3%-5%，最低監測根數為20根。

4 數據分析

基于所監測數據，對其進行初步分析，結果如下：

①對工作面前方各區段錨桿（索）工作載荷進行連續性分析；

②對2-2-2型布置錨索工作載荷進行對比分析；

③對普通錨桿與高強錨桿工作載荷對比分析；

④對幫部錨桿與頂板錨桿工作載荷對比分析等。

圖6 30205回風巷采空區側幫部第一根錨桿工作載荷

圖7 30205回風巷采空區側幫部第二根錨桿工作載荷

圖8 30205回風巷采空區側第三根錨桿工作載荷圖

圖9 30205回風巷實體煤側錨索工作載荷圖

圖10 30205回風巷采空區側錨索工作載荷圖

圖6-圖10為30205回風巷幫部錨桿，頂板錨桿，頂板錨索受超前壓力影響工作載荷圖。所有錨桿（索）在超前支承壓力影響下工作載荷基本處于偏高狀態，在15m-28m之間為超前支承壓力增高區，但仍處于安全值范圍內。30205運輸巷頂板錨索中，工作載荷值較小，考慮是由于頂板條件好，錨索受力較小。

總體評價：30205回風順槽整體支護較好，變形量小，達到安全支護效果。

圖11 2-2-2型錨索工作載荷圖

圖所示為30205回風巷2-2-2型錨索工作載荷對比圖，距工作面相同位置

2-2-2型錨索布置中，實體煤側錨索平均值與采空區側錨索平均值比值為1.03，可知實體煤側與采空區側總體受力相當。距離工作面相同距離實體煤側與采空區側錨索受力總是一大一小，說明錨索在對其施加初始錨固力后，錨索不是同時受力。

總體評價：錨索為聯合支護，能夠滿足頂板支護要求。

圖12 30205運輸巷煤柱側幫部第一根錨桿工作載荷

圖13 30205運輸巷煤柱側頂板第三根錨桿工作載荷

圖12、圖13為30205運輸巷幫部錨桿，頂板錨桿受超前壓力影響工作載荷圖。在超前支承壓力影響下錨桿工作載荷基本處于偏高狀態，在17m-29m之間為超前支承壓力增高區，但仍處于安全值范圍內。30205運輸巷頂板條件較好，頂板錨桿受力相對較小。

總體評價：30205運輸巷整體支護較好，變形量小，達到安全支護效果。

圖14 4105進風巷煤柱側幫部第一根錨桿工作載荷

圖15 4105進風巷實體煤側頂板第二根錨桿工作載荷

圖16 4105進風巷煤柱側頂板錨索工作載荷

4105進風巷煤柱側幫部錨桿工作載荷基本達到正常范圍值，部分錨桿由于片幫和煤破碎錨桿與錨索未達到理想工作載荷值（即達到錨固力的1/3-2/3），考慮錨桿（索）失效。

4105進風巷頂板錨索中，工作載荷均達到60KN以上，最大140KN，達到正常工作載荷范圍以內，工作載荷達到100KN以上，應稍加注意，但仍處安全范圍值內。

總體評價：4105進風巷距離開切眼100-300m變形量較大，采用架棚支護，但支護效果并不理想，幫部煤體松散，裂隙較發育，使得錨桿未達到理想工作載荷值，部分錨桿甚至失效。距開切眼140m后片幫嚴重，幫部錨桿全部失效。巷道支護總體不理想，有安全隱患。

圖17 4105回風巷實體煤側頂板第三根錨桿工作載荷

圖18 4105回風巷實體煤側頂板錨索工作載荷

圖19 4105回風巷采空區側頂板錨索工作載荷

圖示為4105回風巷錨桿（索）所受工作載荷圖，實體煤側頂板第三根錨桿工作載荷較小，均小于50KN，實體煤側與采空區側錨索部分工作載荷較大，多數大于60KN，但仍處于安全范圍值內。

總體評價：4105回風巷頂板煤體較破碎，幫部變形量不大，整體支護效果良好。

4105工作面從5月份開采，到7月底僅采了100m，究其原因是由于巷道布置不合理，進風巷變形量較大的位置為距4105開切眼100m-300m，采用架棚支護，但未達到理想支護效果，還需改進設計方案。4105回風巷距離30205回

具體原因如下：

①受3煤工作面前方超前壓力的影響

②受3煤工作面后方覆巖運動產生的力

③4煤工作面前方超前壓力產生的力

④受4103與4105側向固定支承壓力影響

普通圓鋼錨桿與左旋螺紋錨桿工作載荷對比圖

工作載荷值大于屈服極限值的錨桿、錨索統計

表1 各巷道錨桿（索）參數列表

說明：

（1）30205回風巷工作面前方50m內，測試的煤柱側幫部錨桿44根，均為普通圓鋼錨桿，沒有超過屈服載荷（6.2t）的錨桿；測試的頂部錨桿為28根，，均為左旋螺紋錨桿，僅有一根頂板錨桿超過屈服載荷（7.8t）。說明設計的幫部和頂部錨桿工作阻力偏小；

（2）7月24日，4105工作面共開采100m，在距離工作面200m范圍內，由于4105進風巷變形較大，采用架棚支護控制巷道變形，效果不是很理想，巷道高度最低僅有1.27m，原巷道寬度為5m，現僅有3m多，幫部煤較破碎，錨桿不能達到理想支護效果；錨桿（索）工作載荷普遍不大；距工作面40m以后由于片幫嚴重，致使幫部錨桿全部失效。

通過以上錨索及錨桿支護監測數據分析，結論如下：3025工作面受采動影響較小，錨桿（索）支護能夠滿足安全回采；4105工作面由于布置于3025工作面正下方，受上下采動疊加影響，通過錨桿以及錨索手里監測分析，需要加強支護，目前該礦已經采取加設單體棚聯合支護。錨桿（索）受力監測可以通過科學儀器手段，可以比較直觀分析礦井頂板壓力，給安全生產提供了科學準確的數據分析基礎。

作者簡介：丁志剛（1980，5-）男，2009年7月畢業于武漢理工大學采礦工程專業，本科學歷，現擔任中煤第一建設有限公司南陽坡分公司副經理。