小庄矿40204工作面冲击危险区锚杆支护质量无损检测研究

陈跟马，昝军才，高永刚，贾增林，卢 科

(1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 彬县 713500；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

近年来，冲击地压灾害严重地威胁了我国煤矿的安全生产。根据冲击启动理论，冲击地压显现是冲击地压发生过程的最后环节。锚杆支护能够降低围岩的裂隙发育，进而较好维护围岩的抗冲击能力，降低了冲击地压的显现程度。由此可知，锚杆锚固质量的降低将直接导致巷道冲击危险性的大幅升高[1-3]。

目前锚杆(索)支护质量检测方法包括以下3种：原位拉拔试验、在线监控及无损检测。其中，无损检测方法能够对已施工锚杆(索)的支护质量进行检测，且对锚固结构不造成破坏，具有成本低、方便快捷等优点[4-6]。

利用锚杆(索)无损检测仪对小庄煤矿40204工作面巷道冲击危险区域内的锚杆进行无损检测；建立评价体系，对检测锚杆的支护质量开展评价，由此确定支护薄弱区域，进而分析因支护质量偏低而导致冲击危险性增大的区域，并分析导致锚杆支护质量降低的原因。

1 工程概况

小庄煤矿40204综放工作面位于井下二盘区，东西走向布置，南接40203工作面采空区，北面为实体煤。工作面走向长1801m，宽195m，煤层埋深约为520～690m。该工作面主采4号煤层，工作面区域内煤层赋存较为稳定，厚度分布21～23.5m，煤层北厚南薄。基本顶为粗砂岩，含砾粗砂岩，厚约7～8m，厚层状，属半坚硬类较稳定型。直接顶主要为黑色砂质泥岩，厚约8m。直接底主要为泥岩，致密块状，厚度约3～4m。该工作面煤层产状呈单斜构造，工作面内地层产状较为稳定，倾向近北方向，倾角约3°～4°。

2 锚杆支护质量评价体系

根据相关规范(《煤矿井巷工程质量检验评定标准》(MT5009-94)，《煤巷锚杆支护技术规范》(MT/T1104-2009)和《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001))，提出了单根锚杆支护质量评价方法。

2.1 锚杆锚固段完整度评价

锚杆锚固段完整度为锚杆锚固长度无损检测值与锚固长度的理论计算值之间相除而确定的，如表1所示，锚固段完整度由下式求出。

式中，η为锚杆锚固段完整度，hr为锚杆锚固长度的实测值，m；hT为锚杆锚固长度的理论值，m。

表1 锚杆锚固段完整度确定标准

锚杆锚固长度的理论值hT可由下式求得：

式中，dw为锚固剂直径，m；h0为单孔装入锚固剂的长度，m；dk为锚杆孔直径，m；ds为锚杆杆体直径，m。

小庄煤矿巷道锚杆采用锚固剂直径为23mm，测量巷道内锚杆支护单孔锚固剂的长度为950mm，气动锚杆钻机的钻头直径为28mm，施工钻孔直径约为30mm，支护锚杆的杆体直径为22mm。代入上式计算可得，小庄煤矿锚杆锚固长度理论值为1208mm。

2.2 锚杆工作载荷(轴向拉力)状态的评价

基于现场对锚杆无损检测的结果，对锚杆工作载荷状态进行评价，具体如表2所示。

2.3 锚杆支护质量评价系统的构建

构建锚杆支护质量评价系统，以锚杆锚固段与锚杆工作载荷状态为评价指标，将锚杆支护质量评价分为3个等级，如表3所示。

表2 锚杆工作载荷状态评价标准

表3 锚杆支护质量评价系统

3 锚杆无损检测施工方案

3.1 无损检测原理

锚杆(索)无损检测仪可以在没有损伤条件下对锚杆(索)的锚固长度及工作轴力迅速监测，适用于煤矿巷道锚杆(索)支护质量检测及评价[3]。

图1 锚杆(索)无损检测工作原理

锚杆(索)无损检测工作原理，如图1所示。由图1可知，锚杆(索)无损检测设备的原理包括震动波激发、传播、反射和结构动力检测等部分，由此将设备划分为激振、信号采集、数据处理和智能识别等4个部分。

3.2 无损检测方案

根据相关地质、采掘条件和支护等基础资料及井下施工条件，制订检测方案。对小庄煤矿40204工作面临空巷道的常规区域、巷道超高段、水仓附近区域、临空巷道交叉口附近区域、巷道群区域、卸压后区域，非临空巷道的超前支护区域、未卸压区域等8个区域的锚杆支护质量开展评价。

工作面巷道断面净尺寸5500mm×3500mm。顶板及两帮采用φ22mm×2200mm的高强螺纹树脂锚杆配合锚网支护，间排距800mm×800mm。顶板采用锚网索联合支护，锚索规格为φ18.96mm×7000mm，间排距1600mm×1600mm。

在各测试区域(图2)内设置若干检测断面，每个断面内两帮各检测3根锚杆，顶板上检测3根锚杆，每个断面内共检测9根锚杆。如某一断面内的锚杆不适合检测，可以在相邻1～2排锚杆选择相似位置的锚杆进行测量；同一巷道断面上尽量选取不同方位的锚杆。

区域1：临空巷道常规区域。该区域位于40204机电设备硐室以里300～330m，在该区域内设置4个检测断面，每个断面间距10m，共检测36根锚杆。

区域2：临空巷道超高区域。40204胶带巷内多处巷道超高，选择一处巷道超高区域，在该区域内设置2个检测断面，间距10m，共检测18根锚杆。

区域3：临空巷道水仓附近。该区域位于40204胶带巷机电设备硐室以里200～230m，设置4个检测断面，每个断面间距10m，共检测36根锚杆。

区域4：临空巷道交叉口附近。该区域位于40204胶带巷泄水巷联巷以外0～30m，设置4个检测断面，每个断面间距10m，共检测36根锚杆。

区域5：巷道群区域。该区域位于40204机电设备硐室向外20～50m，设置4个检测断面，每个断面间距10m，共检测36根锚杆。

图2 区域分布平面

区域6：临空巷道卸压后区域。该区域位于40204胶带巷卸压后区域内设置4个检测断面，每个断面间距10m，共检测36根锚杆。

区域7：非临空巷道超前支护区。该区域位于40204回风巷面前15～60m，在该区域内设置4个检测断面，每个断面间距15m，共检测36根锚杆。

区域8：非临空巷道未卸压区域。该区域位于1号联络巷以里50～70m，在该区域内设置3个检测断面，每个断面间距10m，共检测27根锚杆。

4 数据分析与支护质量评价

4.1 数据分析

共检测8个区域的261根锚杆。小庄煤矿40204回采工作面巷道锚杆无损检测测区的编号与方案中的排序一致。根据各区域锚杆锚固长度完整度检测结果绘制曲线，如图3所示。

图3 各区域锚杆锚固长度完整度对照

由图3可知，小庄煤矿40204工作面各冲击危险区域锚杆锚固段完整度总体上为91.8%～105.2%，变化范围为13.4%。而各区域锚杆锚固段完整度低于90%的锚杆数比例在11.1%～51.9%之间，变化幅度达到40.8%。其中，40204胶带巷的巷道超高段区域、巷道交叉口附近区域、巷道群区域、卸压后区域以及回风巷的未卸压区域的锚杆锚固长度完整度低于90%的锚杆数所占比例超过1/3。回风巷超前支护区域的锚固情况较好，而其他4个区域锚杆锚固长度完整度低于90%的锚杆数比例均接近1/4，锚固情况一般。回风巷超前支护区域中锚杆锚固长度完整度是各区域中最佳的。

根据各区域锚杆工作载荷检测结果绘制柱状图如图4所示。

图4 各区域锚杆工作载荷统计

由图4可知，工作载荷小于30kN的锚杆数比例在0%～25%之间，工作载荷在30～70kN的锚杆数比例在38.9%～59.3%之间，工作载荷大于70kN的锚杆数比例在33%～60%之间。其中临空巷道交叉口附近区域、巷道群区域锚杆工作载荷情况差的锚杆数占比超过20%，其余区域情况较好。尤其两巷超前支护区工作载荷状况均好于其所属巷道其他区域。

4.2 支护质量评价

依据前文中锚杆支护质量评价体系对区域内锚杆进行支护质量评价，所得结果如表4所示。

表4 锚杆支护质量评价结果

根据表4可知，在8个区域里，支护质量A级的锚杆数目在各区域里所占比例分布在16.7%～44.4%；支护质量B级的锚杆数目在各区域里所占比例分布在30.5%～55.6%，明显高于A级分布区间；支护质量C级的锚杆数目在各区域里所占比例分布在11.2%～38.9%，接近于A级分布区间。其中，临空巷道超高段区域、临空巷道交叉口附近区域C级锚杆占比超过1/3，巷道群区域C级锚杆占比超过1/4，此3个区域锚杆支护质量最差。而回风巷超前支护区支护状况最佳。其他区域C级锚杆占比均接近1/5，支护质量一般。

5 锚杆支护破损原因分析

通过对小庄煤矿40204工作面冲击危险区域内锚杆的无损检测，获得了冲击危险区域内锚杆的支护质量。结合现场实际情况，对锚杆支护质量降低的原因进行具体分析。

由检测结果，临空巷道交叉口附近区域受交叉巷道支承压力和采空区侧向支承压力的叠加影响，而巷道群区域受到多条巷道支承压力叠加影响，导致局部应力集中，造成锚杆长时间高负荷起效，进而支护受损。而临空巷道超高段区域本身位于小型构造带或应力集中区，掘进时动力显现频繁，对支护结构频繁扰动，更容易使锚杆支护受损。

从整体上看，40204工作面胶带运输巷临近40203工作面采空区，煤柱帮帮鼓较严重，局部经多次套修，使得该巷道近场围岩受到多次扰动，巷道局部微震活动频繁，导致巷帮煤柱破碎带加大，从而降低了锚杆工作载荷，破坏其支护质量，造成巷道整体支护质量一般的状态。

6 结 论

采用锚杆(索)无损检测仪对小庄煤矿40204工作面巷道8个冲击危险区域的261根锚杆进行了无损检测，主要结论如下：

(1)以锚杆锚固长度和工作载荷为指标，建立了锚杆支护质量评价体系；并应用该体系对小庄煤矿40204工作面巷道的支护质量进行评价。

(2)通过评价，小庄煤矿40204工作面的临空巷道交叉口附近区域、巷道群区域和临空巷道超高段区域锚杆支护质量较差，属于支护薄弱区域，需要对这些区域补强支护。

(3)通过分析，小庄煤矿40204工作面受多巷道支承压力和采空区侧向支承压力的叠加影响，以及小型构造带或应力集中区动力现象对支护结构的扰动效应，是锚杆支护破损的主要原因。而40204运输巷临近40203采空区，煤柱帮帮鼓较严重，局部经多次套修，使得该巷道近场围岩受到多次扰动，巷道局部微震活动频繁，导致巷帮煤柱破碎带加大，降低了锚杆工作载荷。