古山矿冲击危险区域锚索支护质量无损检测研究

侯敬民，刘少虹，郭英杰，于庆波

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司，内蒙古 赤峰 024076；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

基础研究

古山矿冲击危险区域锚索支护质量无损检测研究

侯敬民1，刘少虹2，3，郭英杰1，于庆波1

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司，内蒙古 赤峰 024076；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

为了搜寻因支护质量偏低而导致冲击危险等级升高的区域，并分析导致锚索支护破损的原因，采用CMD3.2锚杆(索)无损检测仪对古山三井深部区高应力、冲击危险区域内的锚索支护进行无损检测，对锚索支护质量进行评价。研究表明，三井所测锚索的锚固段完整度总体上呈大致对称的正态分布。经评价，东068-1运输巷超前支护区、东068-1运输巷F11，F12断层区和西068回风巷迎头等4个区域支护质量较好，东068-1回风巷10～40m区域锚索支护质量一般，西068运输巷巷口和东068-1回风巷超前支护区支护质量偏低。围岩动力显现、巷道套修施工、强动载和高地压是古山三井锚索支护结构损伤的主要原因。

冲击危险区；锚索支护；无损检测；支护评价体系

基于冲击启动理论，冲击地压发生经历冲击启动—冲击能量传递—冲击地压显现3个阶段，主动卸压主要针对前两个阶段，而强力支护可以降低冲击地压显现阶段的灾变程度，可见支护质量的降低将会导致巷道强动力显现的发生概率升高，冲击危险等级也随之升高[1-2]。

目前，锚杆(索)锚固质量评价方法包括：破坏性试验、长期监控、拉拔试验、无损检测等4种。其中无损检测能够对正在或已经施工的锚杆(索)进行检测，成本低、方便快捷，对锚固结构不产生破坏，优势较为显著[3-4]。

采用CMD3.2锚杆(索)无损检测仪[5]对古山三井深部区高应力、冲击危险区域内的锚索支护进行无损检测，对锚索支护质量进行评价，搜寻因支护质量偏低而导致冲击危险等级升高区域，并分析导致锚索支护破损的原因。

1 锚索损伤破坏模式

大量工程实践表明，锚索的损伤破坏存在以下3种模式：锚索索体的损伤破坏；锚索锚固段粘结程度的降低；锚索托板与煤壁脱离失效[6-8].以下进行具体分析：

(1)锚索索体的损伤破坏 锚索索体是由多根钢绞线组成，在巷道围岩内部静载荷或动载荷作用下易发生张拉或剪切破坏。这种情况在应力水平较高、动载扰动频繁的强矿压矿井尤为常见。

(2)锚索锚固段粘结程度的降低 锚索作用力的施加是依赖锚固剂对锚索索体尾端和煤体之间的粘结作用，因此索体尾端粘结程度的降低将直接导致锚索支护水平的降低。动静载荷的叠加作用是导致锚索锚固段粘结程度降低的主要因素之一。

(3)锚索托板与煤壁脱离失效 这种破坏有两种原因，一是巷道表层煤体易发生风化，强度大幅降低，受到震动时常常导致托板接触的煤体脱落；二是煤壁对锚索托板长期施加向外作用力，导致锚索索具损伤，锚索托板松动或被瞬时弹出。

综上所述，3种锚索损伤破坏模式中，第3种模式的破坏可以直接通过锚索托板的工作状态观察到，并且三井在巷道表层喷射混凝土，有效地降低了该破坏模式的发生概率。但前两种模式难以通过观察直观判断，需要利用锚索无损检测技术进行诊断。通过检测波形判断锚索索体的完整性，将锚固长度的实测结果与理论值对比判断锚索锚固段完整度，并基于检测结果对锚索支护质量进行评价。

2 锚索支护质量评价体系

2.1 锚索索体完整性评价

根据《锚杆(索)锚固质量无损检测技术规程》中华人民共和国行业标准JGJ/T 182-2009，当信号波形规则，呈指数快速衰减，持续时间短时，表明锚索索体完整性较好，无破损；当信号波形无规则，呈慢速衰减或间歇增强后衰减，持续时间长时，表明锚索索体有破损，即钢绞线发生破断。

2.2 锚索锚固段完整度评价

通过锚索锚固长度的无损检测结果与锚固长度理论值之间的比值，对锚索锚固段完整度进行评价，如表1所示，锚固段完整度η由下式求出。

η=hr/hT×100%

式中，hr为锚索锚固长度的实测值，hT为锚索锚固长度的理论值。

锚索锚固长度的理论值hT可由以下公式求得：

式中，rw为锚固剂半径；hw为锚固剂长度；rk为钻孔半径；rs为锚索半径。

对于古山煤矿三井，巷道锚索采用φ23mm锚固剂，巷道拱形部分锚索每孔锚固剂长度为1950mm，直墙部分锚索每孔锚固剂长度为1200mm，钻头直径28mm，成孔直径约30mm，锚索直径21.8mm。带入上式计算可得，古山矿三井巷道拱形部分锚索锚固长度理论值为2429mm，直墙部分锚索锚固长度理论值为1494mm。

2.3 锚索支护质量评价体系的建立

依据锚索索体与锚索锚固段评价标准建立支护评价体系，具体如表2所示。

表2 锚索支护质量评价体系

3 锚索无损检测施工方案

3.1 无损检测原理[3]

CMD3.2锚杆(索)动力无损检测仪可以对锚杆(索)杆体及支护状态在没有任何损伤条件下快速、简便地测定其杆体的受力状态(轴向受力)、杆体的自由段和锚固段长度。适用于煤矿井下锚杆(索)锚固长度和轴向受力以及锚索锚固长度的随机实时检测与支护质量评价；煤矿井下锚杆(索)支护巷道的施工质量检测与评价。

锚杆(索)动力无损检测仪基于弹性波传播与反射原理和结构动力测试原理，采用模块化设计，分为激振、信号采集、数据处理和智能识别4大模块。如图1所示。

图1 锚杆(索)动力无损检测仪的工作原理

3.2 无损检测步骤[6-7]

(1)准备工作 被检测锚索应端头外露端面平整，外露长度不小于100mm。清理锚索索具；连接检测仪，并将传感器吸附至锚索索具。在无损检测仪中建立试验工程，输入试验参数。

(2)信号的激振与采集 采用特制激振锤激振，沿锚索轴向进行敲击激振。敲定过程动作应干脆、稳定。每根锚索的检测数目大于5次，若5次波形基本一致，进行下一根锚索的检测。

(3)信号的处理 由锚索无损检测信号波形可以得到锚索索体的完整性以及锚索目前的锚固长度。

3.3 无损检测方案

检测前，收集与锚索无损检测相关的地质、采掘条件和锚索设计等基础资料，了解井下作业条件，制订检测方案。对古山煤矿三井深部区的强矿压显现区域、地质构造区域、掘进迎头及其后方区域、沿空掘巷巷道变形较大区域、回采面超前支承压力影响区域等5个高应力、冲击危险区域的锚索支护质量进行评价。

在上述高应力、冲击危险区域内，巷道锚索分布如图2所示。在检测区域内，每排锚索检测11根，其中巷道直墙部分每侧3根，拱形部分5根，检测断面间距3m。工作面超前区域，由于通过架棚补强支护，部分拱顶的锚索被遮挡，检测3根锚索，每排共检测锚索9根。通过对锚索锚固长度的检测，对各试验区域的支护质量进行评价。以下对各检测区域进行具体描述。

图2 检测断面内锚索分布示意

3.3.1 三井动力显现区域

在西068运输巷巷道开口附近检测范围内设置5个检测断面，间距3m，每个断面检测11根锚索，共55根，如图3所示。

图3 西068运输巷巷道开口附近锚索无损检测范围

3.3.2 地质构造区域

古山三井深部区地质构造主要以断层为主，目前已揭露的断层包括位于东068-1运输巷的F11和F12正断层，断层附近巷道具有较高的冲击危险性。根据断层产状设定，F11断层构造区检测范围为27m，F12断层构造区检测范围为20m，如图4所示。F11断层构造区设置9个检测断面，F12断层构造区设置7个检测断面，共检测176根。

图4 断层构造区锚索无损检测范围

3.3.3 掘进迎头及其后方区域

从全国范围的冲击地压案例来看，掘进迎头及其后方区域易出现冲击显现，例如义马千秋煤矿2011年11月3日事故、新疆硫磺沟煤矿2013年1月30日事故，因此对西068回风巷迎头后方0～40m范围的锚索进行无损检测，如图5所示。设置13个检测断面，共检测143根锚索。

图5 三井西068回风巷锚索无损检测范围

3.3.4 沿空掘巷围岩变形较大区域

东068-1回采工作面回风巷一侧为近20m宽的阶段煤柱，该巷道里程0～100m区域围岩变形较大，在该区域设置7个检测断面，共检测77根锚索，如图6所示。

图6 三井东068回风巷锚索无损检测范围

3.3.5 回采面超前支承压力影响区域

工作面超前支承压力影响区域具有较高的冲击危险性。在上、下两巷工作面前方10～40m区域各设置7个检测断面，如图7所示，共检测126根锚索。

图7 三井东068-1工作面超前锚索无损检测范围

4 检测数据分析与支护质量评价

4.1 检测数据分析

在上述5个监测区域，共检测锚索568根，三井深部区锚索无损检测测区的编号与方案中的排序一致。通过监测结果绘制曲线如图8所示。由图可知，三井深部各测试区域锚索锚固段完整度平均值介于76%～82%之间，变化幅度仅为6%。而索体受损的锚索比例则在各检测区域间差别较大，处于9%～49%之间。其中，西068运输巷巷口附近12m区域所测量的55根锚索中49%的索体均有损伤，东068-1回风巷超前支护区域所检测的63根锚索中37%的索体均有损伤，其他检测区域索体受损锚索比例相对较低。

图8 三井深部区锚索破损情况总体分析

由古山三井深部区检测的568根锚索锚固段完整度的区间统计结果，绘制锚索锚固段完整度分布直方图，以及分布概率拟合曲线，如图9所示。由图可知，大约30.9%的锚索锚固段完整度小于75%，锚固段为严重损伤；大约42.2%的锚索锚固段完整度在75%～90%之间，锚固段为轻微损伤；大约26.9%的锚索锚固段完整度大于90%，锚固段为无损伤。

图9 锚索锚固段完整度区间频率直方图和拟合曲线

图9表明，拟合曲线呈高峰位于中部，左右两侧大致对称的正态分布，由此可知古山矿三井深部区大部分锚索的锚固段均出现了轻微损伤。由图中的拟合方程可以得到任意锚索完整度的分布概率。发现该曲线的相关系数达到了0.94，表明该曲线能够代表94%锚索的锚固段完整度分布规律。

4.2 锚索支护质量评价

依据前文中锚索支护质量评价体系，对三井深部区冲击危险区域锚索支护质量进行评价，具体评价结果如表3所示。

表3 三井深部区冲击危险区域锚索支护质量评价结果

由表3可知，东068-1运输巷超前支护区域、东068-1运输巷F11，F12断层区和西068回风巷迎头4个区域，50%以上的锚索支护质量等级为A，同时支护质量等级为C的锚索比例不足15%，表明4个区域锚索支护质量较好。而东068-1回风巷10～40m区域锚索支护质量等级以B为主，质量为A的锚索比例为39%，质量为C的比例上升至16%，可见东068-1回风巷10～40m区域锚索支护质量低于前面评价的4个区域，支护质量一般。最后，西068运输巷巷口和东068-1回风巷超前支护区域锚索支护质量等级为C的比例进一步升高，尤其是西068运输巷巷口超过1/3的锚索支护质量为C，东068-1回风巷超前支护区域也有超过1/4的锚索支护质量为C，这两个区域锚索支护质量偏低。

5 三井锚索支护破损原因分析

通过进行古山三井锚索的无损检测，可以发现冲击危险区域的锚索支护质量存在较大差别，以下对锚索支护的破损原因进行具体分析。

由无损检测结果可知，西068运输巷巷口附近12m区域所测量的55根锚索中49%的索体均有损伤，主要由于该区域曾有过冲击地压显现，而后又多次套修，使得该巷道近场围岩受到多次强扰动而导致的。东068-1回风巷超前支护区域所检测的63根锚索中37%的索体均有损伤，而该区域在回采过程中是微震事件的频发地点，煤岩活动性较强，并且在工作面超前支承压力和宽阶段煤柱共同作用下应力较为集中，这些对于锚索索体的损伤均有较大影响。东068-1运输巷F11，F12断层区由于断层落差较小，没有形成明显的局部应力集中，对该区域锚索支护的损伤较小，不过走向断层要比斜交断层对锚索支护影响程度更大些，尤其是对锚索的锚固段的影响。与之类似，西068回风巷掘进迎头由于采用了小煤柱护巷应力水平较低，相应的该区域锚索的损伤程度较低。

综上可知，围岩动力显现以及巷道套修施工导致围岩变形增大，当围岩的剪切和拉伸变形幅值超过了锚索的延伸量时，就会造成附近锚索的严重损伤，其次强动载和高地压也能导致围岩的大幅变形，从而造成锚索支护的较大损伤，并且对索体的损伤程度要大于锚索锚固段的损伤程度。走向断层要比斜交断层对锚索支护影响程度更大些，尤其是对锚索的锚固段。

6 结 论

采用CMD3.2锚杆(索)无损检测仪对古山三井深部区7个高应力、冲击危险区域568根锚索进行了无损检测，主要结论如下：

(1)古山三井深部区锚索支护的损伤破坏模式主要包括锚索索体的损伤破坏和锚索锚固段粘结程度的降低，锚索无损检测正是针对这两种损伤破坏模式而开展的，并由此建立了古山三井锚索支护质量评价体系。

(2)三井所测锚索的锚固段完整度总体上呈中部高峰、左右两侧大致对称的正态分布，其中约30.9%的锚索锚固段完整度为严重损伤，约42.2%的锚索锚固段完整度为轻微损伤，约26.9%的锚索锚固段为无损伤。

(3)通过检测可知，东068-1运输巷超前支护区域、东068-1运输巷F11，F12断层区和西068回风巷迎头4个区域，支护质量较好。而东068-1回风巷10～40m区域锚索支护质量一般。西068运输巷巷口和东068-1回风巷超前支护区域支护质量偏低。

(4)围岩动力显现以及巷道套修施工导致围岩变形增大，造成了附近锚索的严重损伤；其次强动载和高地压也能导致围岩的大幅变形，从而造成锚索支护的较大损伤；走向断层要比斜交断层对锚索支护影响程度更大些，尤其是对锚索的锚固段。

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[责任编辑：林 健]

Cable Supporting Nondestructive Testing in Rock Burst Hazardous Area of Gushan Coal Mine

HOU Jing-min1，LIU Shao-hong2，3，Guo Ying-jie1，YU Qing-bo1

(1.Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co.，Ltd.，Chifeng 024076，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;
3.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

In order to find hazard level elevated zone of rock burst as low quality supporting，and broken reasons of cable supporting was analyzed，cable supporting in high stress and hazard rock burst zone of Gushan three shaft was test by CMD 3.2 rock bolt(cable) nondestructive testing device，then cable supporting quality was evaluated.The results showed that integrity of anchorage section of all cables appeared symmetrical normal distribution.Supporting quality of ahead supporting area of eastern 068-1 haulage roadway，F11，F12fault zone of eastern 068-1 haulage roadway and western 068 head of ventilation roadway were perfect，and eastern 068-1 ventilation roadway(10～40m) was normal，western 068 haulage roadway entrance and eastern 068-1 ventilation roadway ahead supporting area was low.Surrounding dynamic stress，roadway repaired，strength loading and high underground pressure were the main reasons for cable supporting structure damage of Gushan three shaft.

rock burst hazard zone；cable supporting；nondestructive testing；supporting evaluation system

2016-07-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.002

国家重点研发计划项目(2016YFC0801401)；天地科技股份有限公司开采设计事业部生产力转化基金 ( KJ-2015-TDKC-05)

侯敬民(1974-)，男，赤峰平庄人，高级工程师，硕士，从事采矿工程与煤矿安全科研及管理工作。

侯敬民，刘少虹，郭英杰，等.古山矿冲击危险区域锚索支护质量无损检测研究[J].煤矿开采，2017，22(1)：6-10.

TD353

A

1006-6225(2017)01-0006-05