煤礦上下煤層同時開采錨桿（索）受力監(jiān)測技術(shù)研究

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(wěn)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(jié)構(gòu)大部較簡單，含夾矸0～2層，局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸可達(dá)4層。頂板為砂巖或砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖或細(xì)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(shè)計采高為2.1m。30205工作面運(yùn)輸巷斷面設(shè)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(fēng)巷掘進(jìn)煤層為石炭上統(tǒng)太原組含煤地層，該煤層全區(qū)穩(wěn)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(zhǔn)面以下。地表水及地下水水量很小，水文地質(zhì)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜。當(dāng)巷道掘進(jìn)到鉆孔附近時，封閉不良的鉆孔存在導(dǎo)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(diào)度。預(yù)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(jī)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(guān)系圖：圖上標(biāo)注工作面當(dāng)日開采的具體位置。
　　30205綜采面與4105綜放面位置關(guān)系圖
　　4105運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷巷道斷面圖如下：
　　4105運(yùn)輸順槽巷道斷面圖 4105回風(fēng)順槽巷道斷面
　　2 錨桿（索）施工質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)介紹
　　2.1錨桿對巖體的錨固機(jī)理
　　（1）錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體剛度，增強(qiáng)了巖體抗變形能力，加強(qiáng)了巖體的整體性；
　　（2）由于錨桿的抗拉作用，當(dāng)錨桿穿越破碎巖層深入穩(wěn)定巖層時，對不穩(wěn)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(chǎn)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(chǎn)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(tài)，使其由一維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維受力狀態(tài)，提高了巖體的承載能力。
　　2.2 錨桿支護(hù)的力學(xué)指標(biāo)
　　錨固力、預(yù)應(yīng)（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(yàn)中的極限拉力，是錨桿拉出或拉斷時的最小拉力。
　　（2）預(yù)應(yīng)（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(wěn)定時錨桿承受的荷載。端部錨固錨桿的拉拔試驗(yàn)與實(shí)際工作時受力狀態(tài)一致，是設(shè)計計算的主要指標(biāo)。
　　（4）阻力特性曲線：即錨桿在拉拔試驗(yàn)時拉拔力和錨桿變形的關(guān)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(yīng)小于49kN，終錨力不應(yīng)小于60kN。錨桿的阻力特性應(yīng)與軟巖變形特性相匹配。
　　2.3 30205和4105工作面錨桿（索）施工質(zhì)量監(jiān)測內(nèi)容及方法
　　（1）錨固力監(jiān)測
　　錨桿（索）固力監(jiān)測是錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢查中最基本的測量工作，其目的為：①了解錨桿實(shí)際受力狀況和錨固質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計值，是否出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力松弛；②監(jiān)測錨桿提供的最大錨固力，為錨桿支護(hù)設(shè)計提供依據(jù)。
　　傳統(tǒng)錨固力大小一般是通過錨桿抗拔力試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測，以檢查錨桿安裝質(zhì)量。常見儀器是錨桿拉力計，因?yàn)橛锌赡茉斐蓢鷰r損壞，不能大量普查，但它比較直觀。
　　（2）錨桿（索）的工作載荷監(jiān)測
　　承受荷載測試是測試巷道支護(hù)后錨桿實(shí)際受力狀態(tài)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(shí)際錨固力，是錨桿支護(hù)巷道監(jiān)測的一項(xiàng)重要內(nèi)容。通過分析錨桿支護(hù)軟巖巷道在服務(wù)期間錨桿的荷載變化情況，監(jiān)測錨桿工作狀態(tài)，了解錨桿實(shí)際受力狀況和錨固質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計值，可為調(diào)整和修改支護(hù)參數(shù)提供實(shí)測依據(jù)。
　　傳統(tǒng)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(shè)備較多，費(fèi)用較高。
　　注：在支護(hù)期間，錨桿或錨索的荷載受到許多因素的影響，導(dǎo)致荷載的不斷變化。所以，需要不斷進(jìn)行監(jiān)測，以隨時掌握受力狀態(tài)。 　　（3）錨桿（索）的初始預(yù)緊力監(jiān)測
　　對錨桿施加初始預(yù)緊力是充分發(fā)揮錨桿主動支護(hù)作用，使其與圍巖共同承載的關(guān)鍵。在安裝錨桿時，施加足夠的預(yù)緊力可以消除錨桿構(gòu)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(yù)應(yīng)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(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽受超前支承壓力影響下，錨桿（索）工作載荷變化情況，準(zhǔn)確分析回采工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽頂部和幫部壓力顯現(xiàn)特征（支承壓力影響范圍、支承壓力分區(qū)及支承壓力集中系數(shù)K值）
　　（2）確定距掘進(jìn)面不同距離頂部及兩幫錨桿錨索應(yīng)力分布特征，尤其確定耙矸機(jī)前方不支護(hù)時，耙矸機(jī)后方錨索工作載荷是否在安全范圍值以內(nèi)
　　（3）確定巷道拱肩處，頂部、煤柱側(cè)巷道斷面不同地點(diǎn)的應(yīng)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(qū)域，經(jīng)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(biāo)注均為面向工作面示意圖
　　（1）確定回采工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽受超前支承壓力影響下，錨桿（索）工作載荷變化情況，準(zhǔn)確分析回采工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽頂部和幫部壓力顯現(xiàn)特征（支承壓力影響范圍、支承壓力分區(qū)及支承壓力集中系數(shù)K值）
　　對30205工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽從端頭開始監(jiān)測，在距工作面30m范圍內(nèi)，錨桿每隔5m監(jiān)測一個斷面，錨索每隔3m監(jiān)測一個斷面，每個斷面監(jiān)測包括斷面上煤柱側(cè)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(jiān)測一個斷面，錨索每隔9m監(jiān)測一個斷面，每條巷道監(jiān)測總長度為50m；
　　（2）確定距工作面不同距離頂部及煤柱側(cè)幫部錨桿、錨索應(yīng)力分布特征，尤其確定片幫區(qū)頂部錨桿、錨索工作載荷是否在安全范圍值以內(nèi)對4105工作面進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域長50m，每隔3m監(jiān)測一個斷面，每個斷面監(jiān)測所有錨桿與錨索；
　　（3）確定巷道拱肩處，頂部錨桿（索）、煤柱側(cè)巷道斷面不同地點(diǎn)的應(yīng)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(jiān)測數(shù)據(jù)中選取錨索工作載荷數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)力分布特征；
　　在（2）的監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取錨索工作載荷數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)力分布特征；
　　綜上，最有效而又全面的監(jiān)測方案如下：
　　①對30205回風(fēng)巷端頭至工作面前方50m監(jiān)測，監(jiān)測對象為采空區(qū)側(cè)幫部第一根錨桿、幫部第二根錨桿和幫部第三根錨桿，監(jiān)測錨桿數(shù)共計42根，監(jiān)測次數(shù)為兩次。
　　②對4105斷層段進(jìn)行錨桿（索）無損監(jiān)測，運(yùn)輸順槽斷層位于距4105綜放面開切眼258m，回風(fēng)順槽斷層位于距4105綜放面開切眼305m。在斷層兩側(cè)分別監(jiān)測錨桿（索）工作載荷，監(jiān)測次數(shù)為兩次。
　　③對30205運(yùn)輸巷端頭至工作面前方50m監(jiān)測，監(jiān)測距離50m，每隔5m監(jiān)測一個斷面，監(jiān)測對象為斷面所有錨桿（索），監(jiān)測次數(shù)為三次。
　　④對4105運(yùn)輸順槽至工作面前方50m，監(jiān)測距離為50m，監(jiān)測對象為煤柱側(cè)幫部錨桿（普通錨桿）、頂部錨桿（高強(qiáng)錨桿）與錨索，監(jiān)測次數(shù)為兩次。
　　⑤對4105回風(fēng)順槽至工作面前方50m，監(jiān)測距離為50m，監(jiān)測對象為斷面所有錨桿（普通錨桿）與錨索，監(jiān)測次數(shù)為兩次。
　　3.3 觀測儀器與評判標(biāo)準(zhǔn)
　　針對傳統(tǒng)支護(hù)監(jiān)測方法及存在問題，本次監(jiān)測采用的是CMSW6（A）礦用錨桿（索）無損監(jiān)測儀（圖2），武漢長盛煤安科技有限公司生產(chǎn)，它的主要特點(diǎn)是能不破壞錨桿（索）的錨固效果、預(yù)應(yīng)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(shù)據(jù)，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(nèi)容包括錨桿安裝質(zhì)量監(jiān)測、錨桿錨固力監(jiān)測和錨桿荷載監(jiān)測。
　　（1）錨桿安裝質(zhì)量監(jiān)測：主要監(jiān)測錨桿安裝的角度、間排距以及外露長度、托盤安裝質(zhì)量等，以確保錨桿施工質(zhì)量。
　　（2）錨桿錨固力監(jiān)測：錨固力大小一般是通過錨桿抗拔力進(jìn)行監(jiān)測，以檢查錨桿安裝質(zhì)量。
　　（3）錨桿預(yù)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(wù)期間錨桿荷載變化情況，監(jiān)測錨桿工作狀態(tài)，為調(diào)整和修改支護(hù)參數(shù)提供實(shí)測依據(jù)。
　　3.4 煤礦錨桿（索）支護(hù)質(zhì)量無損監(jiān)測的評判標(biāo)準(zhǔn)
　　（1）初錨支護(hù)狀態(tài)
　　設(shè)安裝預(yù)應(yīng)（緊）力設(shè)計值為Nc，初始預(yù)緊載荷為N，若
　　①120% Nc>N>=90%Nc，則認(rèn)為施加預(yù)緊力為“優(yōu)”；
　　②90% Nc>N>=80%Nc，則認(rèn)為施加預(yù)緊力為“良”；
　　③80% Nc>N>=60%Nc，則認(rèn)為施加預(yù)緊力為“合格”；
　　④NN>=30%Ng（或Nm）為“較穩(wěn)定”，支護(hù)狀態(tài)為“良”；
　　③70%Ng>N>=50%Ng（或Nm）為“一般穩(wěn)定”，支護(hù)狀態(tài)為“合格”；
　　④N>=70% Ng（或Nm）為“穩(wěn)定差”，支護(hù)狀態(tài)為“差”。
　　（3）采動影響支護(hù)狀態(tài) 　　設(shè)桿體強(qiáng)度（屈服極限）為Ng或錨固力Nm，工作載荷為N，若
　　①NN>=50%Ng（或Nm）為“影響較小”， 支護(hù)狀態(tài)為“良”；
　　③80%Ng>N>=60%Ng（或Nm）為“影響較大”， 支護(hù)狀態(tài)為“合格”
　　④N>=80%Ng（或Nm）為“影響很大”， 支護(hù)狀態(tài)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(rèn)為應(yīng)以實(shí)測錨固力為判定條件。
　　（4）巷道總體支護(hù)狀態(tài)評價
　　①若單體“優(yōu)”達(dá)到80%以上，無單體“差”，則認(rèn)為“巷道總體支護(hù)狀態(tài)評價”為“優(yōu)”；
　　②若單體“良”達(dá)到80%以上，無單體“差”，則認(rèn)為“巷道總體支護(hù)狀態(tài)評價”為“良”；
　　③若單體“合格”達(dá)到90%，，單體“差”小于10%，則認(rèn)為“巷道總體支護(hù)狀態(tài)評價”為“合格”；
　　④若單體“差”大于30%，則認(rèn)為“巷道總體支護(hù)狀態(tài)評價”為“差”。
　　注：巷道的抽檢率為3%-5%，最低監(jiān)測根數(shù)為20根。
　　4 數(shù)據(jù)分析
　　基于所監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行初步分析，結(jié)果如下：
　　①對工作面前方各區(qū)段錨桿（索）工作載荷進(jìn)行連續(xù)性分析；
　　②對2-2-2型布置錨索工作載荷進(jìn)行對比分析；
　　③對普通錨桿與高強(qiáng)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(fēng)巷采空區(qū)側(cè)幫部第一根錨桿工作載荷
　　圖7 30205回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)幫部第二根錨桿工作載荷
　　圖8 30205回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)第三根錨桿工作載荷圖
　　圖9 30205回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)錨索工作載荷圖
　　圖10 30205回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)錨索工作載荷圖
　　圖6-圖10為30205回風(fēng)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(tài)，在15m-28m之間為超前支承壓力增高區(qū)，但仍處于安全值范圍內(nèi)。30205運(yùn)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(fēng)順槽整體支護(hù)較好，變形量小，達(dá)到安全支護(hù)效果。
　　圖11 2-2-2型錨索工作載荷圖
　　圖所示為30205回風(fēng)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(shí)體煤側(cè)錨索平均值與采空區(qū)側(cè)錨索平均值比值為1.03，可知實(shí)體煤側(cè)與采空區(qū)側(cè)總體受力相當(dāng)。距離工作面相同距離實(shí)體煤側(cè)與采空區(qū)側(cè)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(lián)合支護(hù)，能夠滿足頂板支護(hù)要求。
　　圖12 30205運(yùn)輸巷煤柱側(cè)幫部第一根錨桿工作載荷
　　圖13 30205運(yùn)輸巷煤柱側(cè)頂板第三根錨桿工作載荷
　　圖12、圖13為30205運(yùn)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(tài)，在17m-29m之間為超前支承壓力增高區(qū)，但仍處于安全值范圍內(nèi)。30205運(yùn)輸巷頂板條件較好，頂板錨桿受力相對較小。
　　總體評價：30205運(yùn)輸巷整體支護(hù)較好，變形量小，達(dá)到安全支護(hù)效果。
　　圖14 4105進(jìn)風(fēng)巷煤柱側(cè)幫部第一根錨桿工作載荷
　　圖15 4105進(jìn)風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)頂板第二根錨桿工作載荷
　　圖16 4105進(jìn)風(fēng)巷煤柱側(cè)頂板錨索工作載荷
　　4105進(jìn)風(fēng)巷煤柱側(cè)幫部錨桿工作載荷基本達(dá)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(dá)到理想工作載荷值（即達(dá)到錨固力的1/3-2/3），考慮錨桿（索）失效。
　　4105進(jìn)風(fēng)巷頂板錨索中，工作載荷均達(dá)到60KN以上，最大140KN，達(dá)到正常工作載荷范圍以內(nèi)，工作載荷達(dá)到100KN以上，應(yīng)稍加注意，但仍處安全范圍值內(nèi)。
　　總體評價：4105進(jìn)風(fēng)巷距離開切眼100-300m變形量較大，采用架棚支護(hù)，但支護(hù)效果并不理想，幫部煤體松散，裂隙較發(fā)育，使得錨桿未達(dá)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(yán)重，幫部錨桿全部失效。巷道支護(hù)總體不理想，有安全隱患。
　　圖17 4105回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)頂板第三根錨桿工作載荷
　　圖18 4105回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)頂板錨索工作載荷
　　圖19 4105回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)頂板錨索工作載荷
　　圖示為4105回風(fēng)巷錨桿（索）所受工作載荷圖，實(shí)體煤側(cè)頂板第三根錨桿工作載荷較小，均小于50KN，實(shí)體煤側(cè)與采空區(qū)側(cè)錨索部分工作載荷較大，多數(shù)大于60KN，但仍處于安全范圍值內(nèi)。
　　總體評價：4105回風(fēng)巷頂板煤體較破碎，幫部變形量不大，整體支護(hù)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(jìn)風(fēng)巷變形量較大的位置為距4105開切眼100m-300m，采用架棚支護(hù)，但未達(dá)到理想支護(hù)效果，還需改進(jìn)設(shè)計方案。4105回風(fēng)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(yùn)動產(chǎn)生的力
　　③4煤工作面前方超前壓力產(chǎn)生的力
　　④受4103與4105側(cè)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(tǒng)計
　　表1 各巷道錨桿（索）參數(shù)列表
　　說明：
　　（1）30205回風(fēng)巷工作面前方50m內(nèi)，測試的煤柱側(cè)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(shè)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(nèi)，由于4105進(jìn)風(fēng)巷變形較大，采用架棚支護(hù)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(xiàn)僅有3m多，幫部煤較破碎，錨桿不能達(dá)到理想支護(hù)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(yán)重，致使幫部錨桿全部失效。
　　通過以上錨索及錨桿支護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，結(jié)論如下：3025工作面受采動影響較小，錨桿（索）支護(hù)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(jiān)測分析，需要加強(qiáng)支護(hù)，目前該礦已經(jīng)采取加設(shè)單體棚聯(lián)合支護(hù)。錨桿（索）受力監(jiān)測可以通過科學(xué)儀器手段，可以比較直觀分析礦井頂板壓力，給安全生產(chǎn)提供了科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。