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关于巷道锚杆无损检测的研究与应用

2020-09-16 214 上传者：管理员

摘要：对于巷道顶板异常区域,如存在断层、陷落柱等,巷道易出现开裂、脱落和破坏现象,甚至发生顶板垮落等工程质量事故,稳定支护面临的问题严峻。通过对异常区域锚杆支护质量进行准确检测,能够为矿井及时掌握异常区域锚杆支护效果提供科学依据,从而快速对异常区域做出支护调整、保证支护强度。

关键词：
异常区域
无损检测
矿业工程
锚杆支护
锚杆轴力
顶板异常区
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1、锚杆支护质量监测方法

井下巷道对锚杆支护质量的监测主要有两种方法:一种是利用深孔多点位移计、位移收敛计、顶板离层指示仪等进行位移监测,位移是力作用的累积效应,因此这种监测在时间上是滞后的,时效性差。另一种是利用扭矩扳手、测力锚杆、拉拔计、液压枕式测力计等进行受力检测。扭矩扳手测力只能通过测试锚杆安装时的扭矩来估算预紧力,其准确率低;测力锚杆、拉拔计这两种受力检测手段只能进行点检测,并不能实行面检测;液压枕式测力计是利用液压千斤顶进行拉拔试验来测定锚杆的锚固力(最大承载能力),无法检测锚杆的受力状态,且这种检测手段既费工又费时,更重要的是这种检测手段对经锚杆加固的巷道产生较强的扰动,降低了锚杆对围岩的加固作用,而且仅限于个别抽查。尤其对于一些特殊区域,如顶板受力变形异常区域,上述两种方法无法安全、高效地检测锚杆受力特征,从而局部区域错过最佳支护补强,导致煤矿安全生产存在显著隐患。

基于以上监测方式存在的局限性,常村煤矿根据矿井地质与巷道支护条件,使用CMW3.7矿用本安型锚杆无损检测仪对顶板异常区域锚杆支护质量和工作载荷进行随机、实时、无损检测[1],为顶板异常区锚杆支护优化设计提供理论依据。

2、锚杆支护质量检测区域及方案

2.1顶板稳定区域检测地点及方案

常村煤矿S5-16工作面轨道巷420～490m位置处无任何地质构造,顶板平整、煤墙无片帮现象,完整性好,选择此段区域作为顶板稳定区锚杆支护质量检测位置。

S5-16工作面轨道巷顶板稳定区域锚杆检测布置如图1所示,巷道锚杆排距为1000mm。每隔10m检测一组数据,其中同一检测断面顶板布置2根锚杆,巷道帮布置1根锚杆,持续追踪检测8个断面,累计检测锚杆共24根。

图1S5-16工作面轨道巷测点布置

2.2陷落柱影响区域检测地点及方案

受陷落柱影响巷道锚杆轴力检测选取在S5-16工作面轨道巷:①距S5-16工作面轨抽联巷88.66m;②DX28-12陷落柱保护煤柱穿越区域;③距DX28-12陷落柱垂直距离60m;④选取检测范围134m。具体检测区域布置如图2所示。

图2S5-16轨道巷陷落柱影响区域锚杆受力检测位置布置

巷道锚杆排距为1000mm,每隔18m检测一组数据,其中同一检测断面顶板布置2根锚杆,巷道帮布置1根锚杆,持续跟踪检测8个断面,累计检测锚杆共24根。

2.3断层影响区域检测地点及方案

锚杆轴力检测选在N3-10工作面胶带巷:①距N3-10切眼210～270m范围内;②断层影响区域(Fj164附近)。

N3-10工作面胶带巷切眼往外210～270m区域内检测锚杆布置及巷道支护情况,如图3和图4所示。沿工作面回采方向,依次对顶板锚杆进行编号。此次仅对顶板锚杆受力状况进行跟踪检测,布置间距为5m,累计检测13根锚杆。其中,在11号锚杆附近存在有一隐伏断层(Fj164断层)。

图3N3-10工作面胶带巷检测锚杆布置

图4N3-10胶带巷测试锚杆布置情况

3、锚杆受力检测结果及分析

3.1顶板稳定区域锚杆受力测试结果及分析

S5-16工作面轨道巷420～490m位置顶部、帮部锚杆轴力随着掘进工作面距离变化情况,如图5所示。

图5S5-16工作面轨道巷420～490m位置锚杆轴力随掘进工作面距离变化情况

图5S5-16工作面轨道巷420～490m位置锚杆轴力随掘进工作面距离变化情况下载原图

由图5可知:①随巷道推进距离的不断增加,顶、帮锚杆轴力均呈现逐渐增加的趋势,且增加幅度逐渐变小;②当巷道掘进150m左右时,后方顶锚杆轴力范围约62～74kN,帮锚杆轴力范围约61～70kN,基本已达到稳定状态,受开挖扰动较小;③当达到稳定期时,顶锚杆轴力平均为66.5kN,帮锚杆轴力平均64kN,两者数值相差较小,支护效果较好。此外,当巷道顶板达到稳定时顶板锚杆轴力仅达到极限值的45.3%,帮部锚杆轴力仅达到极限值的43.7%,均远未达到极限值的80%,说明锚杆轴向受力有极大富余,表面锚杆作用偏强,锚杆支护作用未充分发挥其自身的承载作用。

3.2陷落柱影响区锚杆受力测试结果及分析

S5-16工作面轨道巷88.66～222.66m位置顶板及帮锚杆轴力随掘进工作面距离变化情况,如图6所示。

图6S5-16工作面轨道巷88.66～222.66m位置锚杆轴力随掘进工作面距离变化情况

从图6可以看出,顶板D1-5、D2-2、D2-7三根锚杆均出现异常:①D1-5锚杆随掘进工作面距离的增加缓慢增大,但增加幅度相较于其他锚杆较小,锚杆轴力范围仅为51～58kN;②D2-2锚杆轴力整体偏小,且随掘进距离增大锚杆轴力减小,最小值为43kN,说明该位置锚杆可能已失效,需进行补强支护;③D2-7锚杆轴力呈现逐渐增加的趋势,但增加幅度逐渐减小,经现场勘查发现锚杆托盘与围岩之间没有充分接触,可能为锚杆受力变化较小的原因。

帮锚杆B1-1—B1-5范围内,当巷道掘进至5～30m时,锚杆轴力出现重新分配现象,轴力分布呈锯齿状交叉分布,可能是由于帮部锚杆托盘安装时,提供的预紧力不足,当巷道掘进30m以外,巷道两帮出现轻微变形,托盘与巷道帮部充分接触,锚杆轴力大幅提高。

3.3采动影响区域锚杆受力检测结果及分析

受采动影响巷道锚杆轴力检测选取在N3-10工作面胶带巷,锚杆受力检测期间N3-10工作面正处于正常回采阶段,其锚杆轴力随回采距离变化情况如图7所示。

图7N3-10工作面胶带巷顶板锚杆轴力检测结果

从图7可以得出:①在距采煤工作面0～20m范围内,顶板锚杆轴力波动较大,轴力有增大有减小,说明顶板锚杆位于矿压急剧变化调整区域,最大幅度达45%,受采动影响较大;在20m范围以外,顶板锚杆轴力变化不大,平均变化幅度在3%左右,为锚杆轴力相对稳定区域,说明20m开外区域受采动影响较小。②对比回采距离210m曲线、回采距离215m曲线,以及回采距离230m曲线、回采距离235m曲线分析可见,在回采距离为210～215m范围内,直接顶垮落前后,回采距离为230～235m范围内老顶垮落前后,顶板锚杆轴力在顶板来压前后由应力集聚到应力释放的过程。同时,超前支承压力呈现向前推移现象。

3.4断层影响区锚杆受力测试结果及分析

距N3-10工作面切眼250～260m范围内,巷道有一断面异常处,巷道底板由一定坡度转为平缓、巷道断面增大。在经过10d的巷道顶板轴力测试后发现,顶板锚杆轴力一直在增大,增幅达124%。利用顶板异常区域锚杆锚固质量检测系统的长度检测模块,对锚杆特征信号进行处理,得到断层影响区锚杆特征参数,检测结果如表1所示。

表1现场锚杆锚固长度无损检测结果

由表1可以看出,N3-10工作面回采期间距离断层较远区域,锚杆锚固长度与理论值相差较小,误差控制在5%以内;在断层附近,锚杆锚固长度减小明显,主要是受采动影响,断层区域裂隙带扩大,断层周边顶板破碎严重,锚固剂沿着煤体裂隙流失,导致锚固长度偏小。因此,在断层附近应增加锚固剂数量,并采取增加锚杆或锚索数量方式进行补强支护。

4、顶板异常区域锚杆支护质量评价与支护建议

4.1顶板异常区域锚杆支护质量评价

1)回采及掘进对异常区顶板锚杆支护质量影响显著。在距采煤工作面0～20m范围内,受采动影响严重,锚杆轴力变化较大,锚杆轴力先增大至峰值后减小;距工作面10～20m范围内,为超前支承压力区;在15m处,形成超前支承压力峰值;随着老塘空顶距离的增加,支承压力峰值距工作面距离有增大趋势(从15m增至20m左右);在距采煤工作面5～10m范围内,随着工作面往前推进,锚杆轴力通常呈逐渐增加趋势;在距采煤工作面0～5m范围内,锚杆轴力通常减小,为应力释放区;在20m开外距离,锚杆轴力受采动影响较小,锚杆轴力变化不大[2]。

2)锚杆锚固长度在断层带附近相较于断层带影响区域以外较小,锚固段长度最小值为1055mm。

3)通过锚杆轴力变化可发现巷道隐性危险区域,例如Fj164断层周围锚杆轴力持续增大,说明隐性断层存在或者断层存在活化现象。

4)通过对陷落柱影响区锚杆进行受力检测发现,随着巷道掘进距离的不断增加大部分锚杆轴力呈现逐渐增加的变化特征,且待巷道稳定后其轴力基本达到65～75kN;但是较稳定区检测结果,顶板锚杆异常数量略有增加。

4.2采动影响下顶板异常区锚杆支护建议

1)加强锚杆支护质量检测力度,实时、动态了解锚杆锚固效果。

针对陷落柱及断层附近围岩较为破碎,建议每日对该区域内的锚杆锚固质量进行抽检,及时分析检测数据,对巷道局部受力异常锚杆以及失效锚杆区域立即采取补打锚杆、锚索等方式进行补强支护,以防巷道发生局部整体性失稳。

2)采取改变支护方式和注浆加固等措施,提高顶板自身承载能力。

对于类似陷落柱、断层等异常区域附近围岩破碎,顶板自身承载能力弱,破碎岩体附近锚杆锚固长度要小于设计锚固长度,锚杆无法起到设计的锚固效果。建议锚索采用钢筋托梁横向连接,实现耦合支护,必要时采取先注浆加固顶板后支护的方式。

参考文献:

[1]徐金海,周保精,吴锐.煤矿锚杆支护无损检测技术与应用[J].采矿与安全工程学报,2010(2):166-170.

[2]潘黎明,王东攀.基于锚杆无损检测的巷道支护质量评价研究[J].煤炭技术,2016(9):224-226.

柏新宇.巷道锚杆无损检测及其应用分析[J].煤,2020,29(09):107-110.