巷道錨桿無(wú)損檢測(cè)及其應(yīng)用分析

柏新宇

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

1 錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法

井下巷道對(duì)錨桿支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)主要有兩種方法：一種是利用深孔多點(diǎn)位移計(jì)、位移收斂計(jì)、頂板離層指示儀等進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，位移是力作用的累積效應(yīng)，因此這種監(jiān)測(cè)在時(shí)間上是滯后的，時(shí)效性差。另一種是利用扭矩扳手、測(cè)力錨桿、拉拔計(jì)、液壓枕式測(cè)力計(jì)等進(jìn)行受力檢測(cè)。扭矩扳手測(cè)力只能通過(guò)測(cè)試錨桿安裝時(shí)的扭矩來(lái)估算預(yù)緊力，其準(zhǔn)確率低；測(cè)力錨桿、拉拔計(jì)這兩種受力檢測(cè)手段只能進(jìn)行點(diǎn)檢測(cè)，并不能實(shí)行面檢測(cè)；液壓枕式測(cè)力計(jì)是利用液壓千斤頂進(jìn)行拉拔試驗(yàn)來(lái)測(cè)定錨桿的錨固力(最大承載能力)，無(wú)法檢測(cè)錨桿的受力狀態(tài)，且這種檢測(cè)手段既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，更重要的是這種檢測(cè)手段對(duì)經(jīng)錨桿加固的巷道產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)，降低了錨桿對(duì)圍巖的加固作用，而且僅限于個(gè)別抽查。尤其對(duì)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(wú)法安全、高效地檢測(cè)錨桿受力特征，從而局部區(qū)域錯(cuò)過(guò)最佳支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，導(dǎo)致煤礦安全生產(chǎn)存在顯著隱患。

基于以上監(jiān)測(cè)方式存在的局限性，常村煤礦根據(jù)礦井地質(zhì)與巷道支護(hù)條件，使用CMW3.7礦用本安型錨桿無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)頂板異常區(qū)域錨桿支護(hù)質(zhì)量和工作載荷進(jìn)行隨機(jī)、實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測(cè)[1]，為頂板異常區(qū)錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 錨桿支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)區(qū)域及方案

2.1 頂板穩(wěn)定區(qū)域檢測(cè)地點(diǎn)及方案

常村煤礦S5-16工作面軌道巷420～490 m位置處無(wú)任何地質(zhì)構(gòu)造，頂板平整、煤墻無(wú)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(hù)質(zhì)量檢測(cè)位置。

S5-16工作面軌道巷頂板穩(wěn)定區(qū)域錨桿檢測(cè)布置如圖1所示，巷道錨桿排距為1 000 mm。每隔10 m檢測(cè)一組數(shù)據(jù)，其中同一檢測(cè)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(cè)8個(gè)斷面，累計(jì)檢測(cè)錨桿共24根。

圖1 S5-16工作面軌道巷測(cè)點(diǎn)布置

2.2 陷落柱影響區(qū)域檢測(cè)地點(diǎn)及方案

受陷落柱影響巷道錨桿軸力檢測(cè)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(hù)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(cè)范圍134 m。具體檢測(cè)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(cè)位置布置

巷道錨桿排距為1 000 mm，每隔18 m檢測(cè)一組數(shù)據(jù)，其中同一檢測(cè)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(cè)8個(gè)斷面，累計(jì)檢測(cè)錨桿共24根。

2.3 斷層影響區(qū)域檢測(cè)地點(diǎn)及方案

錨桿軸力檢測(cè)選在N3-10工作面膠帶巷：① 距N3-10切眼210～270 m范圍內(nèi)；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(nèi)檢測(cè)錨桿布置及巷道支護(hù)情況，如圖3和圖4所示。沿工作面回采方向，依次對(duì)頂板錨桿進(jìn)行編號(hào)。此次僅對(duì)頂板錨桿受力狀況進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，布置間距為5 m，累計(jì)檢測(cè)13根錨桿。其中，在11號(hào)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(cè)錨桿布置

圖4 N3-10膠帶巷測(cè)試錨桿布置情況

3 錨桿受力檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 頂板穩(wěn)定區(qū)域錨桿受力測(cè)試結(jié)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(jìn)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(jìn)工作面距離變化情況

由圖5可知：①隨巷道推進(jìn)距離的不斷增加，頂、幫錨桿軸力均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且增加幅度逐漸變小；②當(dāng)巷道掘進(jìn)150 m左右時(shí)，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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，受開挖擾動(dòng)較小；③當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定期時(shí)，頂錨桿軸力平均為66.5 kN，幫錨桿軸力平均64 kN，兩者數(shù)值相差較小，支護(hù)效果較好。此外，當(dāng)巷道頂板達(dá)到穩(wěn)定時(shí)頂板錨桿軸力僅達(dá)到極限值的45.3%，幫部錨桿軸力僅達(dá)到極限值的43.7%，均遠(yuǎn)未達(dá)到極限值的80%，說(shuō)明錨桿軸向受力有極大富余，表面錨桿作用偏強(qiáng)，錨桿支護(hù)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(cè)試結(jié)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)距離增大錨桿軸力減小，最小值為43 kN，說(shuō)明該位置錨桿可能已失效，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；③D2-7錨桿軸力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但增加幅度逐漸減小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)，當(dāng)巷道掘進(jìn)至5～30 m時(shí)，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(shí)，提供的預(yù)緊力不足，當(dāng)巷道掘進(jìn)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(dòng)影響區(qū)域錨桿受力檢測(cè)結(jié)果及分析

受采動(dòng)影響巷道錨桿軸力檢測(cè)選取在N3-10工作面膠帶巷，錨桿受力檢測(cè)期間N3-10工作面正處于正常回采階段，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(cè)結(jié)果

從圖7可以得出：①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，說(shuō)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，平均變化幅度在3%左右，為錨桿軸力相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，說(shuō)明20 m開外區(qū)域受采動(dòng)影響較小。②對(duì)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(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(lái)壓前后由應(yīng)力集聚到應(yīng)力釋放的過(guò)程。同時(shí)，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(cè)試結(jié)果及分析

距N3-10工作面切眼250～260 m范圍內(nèi)，巷道有一斷面異常處，巷道底板由一定坡度轉(zhuǎn)為平緩、巷道斷面增大。在經(jīng)過(guò)10 d的巷道頂板軸力測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，頂板錨桿軸力一直在增大，增幅達(dá)124%。利用頂板異常區(qū)域錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)度檢測(cè)模塊，對(duì)錨桿特征信號(hào)進(jìn)行處理，得到斷層影響區(qū)錨桿特征參數(shù)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨固長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

由表1可以看出，N3-10工作面回采期間距離斷層較遠(yuǎn)區(qū)域，錨桿錨固長(zhǎng)度與理論值相差較小，誤差控制在5%以內(nèi)；在斷層附近，錨桿錨固長(zhǎng)度減小明顯，主要是受采動(dòng)影響，斷層區(qū)域裂隙帶擴(kuò)大，斷層周邊頂板破碎嚴(yán)重，錨固劑沿著煤體裂隙流失，導(dǎo)致錨固長(zhǎng)度偏小。因此，在斷層附近應(yīng)增加錨固劑數(shù)量，并采取增加錨桿或錨索數(shù)量方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4 頂板異常區(qū)域錨桿支護(hù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與支護(hù)建議

4.1 頂板異常區(qū)域錨桿支護(hù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

1) 回采及掘進(jìn)對(duì)異常區(qū)頂板錨桿支護(hù)質(zhì)量影響顯著。在距采煤工作面0～20 m范圍內(nèi)，受采動(dòng)影響嚴(yán)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(nèi)，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(shì)(從15 m增至20 m左右)；在距采煤工作面5～10 m范圍內(nèi)，隨著工作面往前推進(jìn)，錨桿軸力通常呈逐漸增加趨勢(shì)；在距采煤工作面0～5 m范圍內(nèi)，錨桿軸力通常減小，為應(yīng)力釋放區(qū)；在20 m開外距離，錨桿軸力受采動(dòng)影響較小，錨桿軸力變化不大[2]。

2) 錨桿錨固長(zhǎng)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(zhǎng)度最小值為1 055 mm。

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

4) 通過(guò)對(duì)陷落柱影響區(qū)錨桿進(jìn)行受力檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著巷道掘進(jìn)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(dá)到65～75 kN；但是較穩(wěn)定區(qū)檢測(cè)結(jié)果，頂板錨桿異常數(shù)量略有增加。

4.2 采動(dòng)影響下頂板異常區(qū)錨桿支護(hù)建議

1) 加強(qiáng)錨桿支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)力度，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)了解錨桿錨固效果。針對(duì)陷落柱及斷層附近圍巖較為破碎，建議每日對(duì)該區(qū)域內(nèi)的錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行抽檢，及時(shí)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)巷道局部受力異常錨桿以及失效錨桿區(qū)域立即采取補(bǔ)打錨桿、錨索等方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以防巷道發(fā)生局部整體性失穩(wěn)。

2) 采取改變支護(hù)方式和注漿加固等措施，提高頂板自身承載能力。對(duì)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(zhǎng)度要小于設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度，錨桿無(wú)法起到設(shè)計(jì)的錨固效果。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)采取先注漿加固頂板后支護(hù)的方式。