煤矿上下煤层同时开采锚杆(索)受力监测技术研究

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摘 要：由于地方小煤矿安全基础薄弱、煤矿开采技术力量不足，导致我国煤矿事故频发，不但对从事煤矿生产人员的身体健康带来危害，同时也给国家经济带来很大损失，影响我国在国际社会的国家形象。为此从2007年后半年开始，国家要求国有大型煤矿企业托管或者整合地方小煤矿企业，利用国有煤矿企业安全管理基础和技术力量来防范或者杜绝煤矿事故，科学回收国有煤炭资源。但是由于历史原因，原有小煤矿建设没有按照设计规划施工，资源开采没有按照地质等因素进行采区、采煤工作面布置，导致很多煤矿各个层位均有开采破坏现象，国有企业整合之后考虑国家煤炭资源回收等，下部层煤工作面和上部煤层工作面布置可能出现重叠情况，为了保证上下工作面同时开采时的安全等，需要对上下两煤的顺槽锚杆（索）受力进行监测，文章通过我矿锚杆（索）受力研究实验，给我矿安全回采提供了有力的顶板压力数据，保证了我矿安全回采，希望对有此情况的单位有一定帮助。

关键词： 上下煤层；锚杆（索）受力；监测

1 工作面概况

1.1 30205工作面概况

30205工作面开采煤层为山西组3-2#煤层，其煤层赋存状况序述如下：

3-2号煤层：该煤层全井田稳定可采，上距3-1号煤层8.96～15.16m，平均11.64m，煤层厚度变化不大，为中厚煤层。煤层厚度一般为1.40～4.25m，平均2.1m。厚度变化不明显。煤层结构大部较简单，含夹矸0～2层，局部结构复杂，含夹矸可达4层。顶板为砂岩或砂质泥岩、泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩或细砂岩。

30205综采工作面开采方法为单一走向长壁采煤法，一次采全高，顶板处理为全部垮落法，设计采高为2.1m。30205工作面运输巷断面设计为矩形： S净=宽4800mm×高3000mm=14.4m2；S毛=宽5000mm×高3100mm=15.5m2。

1.2 4105工作面概况

4105工作面回风巷掘进煤层为石炭上统太原组含煤地层，该煤层全区稳定。井田大面积为新生界地层覆盖，近在沟谷中有上石河子组（P2s）地层出露，下石河子组及其以下地层均埋藏于侵蚀基准面以下。地表水及地下水水量很小，水文地质条件简单。上距3-2号煤层平均23.75m，煤层厚度变化不大，为中厚-厚煤层，厚度3.4-9.2m，平均为6.3m。由东至西呈逐渐变薄趋势，含夹矸0-3层，结构较复杂。当巷道掘进到钻孔附近时，封闭不良的钻孔存在导水可能，因此要密切注意煤层出水和顶板淋水情况，并及时向矿调度。预计巷道最大涌水量3m3/h，正常涌水量0.5～1m3/h。

30205工作面采用综合机械化开采，4105工作面采用综放开采。

30205综采面与4105综放面位置关系图：图上标注工作面当日开采的具置。

30205综采面与4105综放面位置关系图

4105运输巷和回风巷巷道断面图如下：

4105运输顺槽巷道断面图 4105回风顺槽巷道断面

2 锚杆（索）施工质量监测技术介绍

2.1锚杆对岩体的锚固机理

（1）锚杆与岩体粘结在一起，提高了岩体的整体刚度，增强了岩体抗变形能力，加强了岩体的整体性；

（2）由于锚杆的抗拉作用，当锚杆穿越破碎岩层深入稳定岩层时，对不稳定岩层起着悬吊作用；

（3）对于层状岩体，由于锚杆的作用，对岩层离层的产生有着一定的阻碍作用，并增大了岩层间的摩擦力，与锚杆本射的抗剪作用阻止岩层间产生相对滑动，从而将各个岩层夹紧形成组合梁，提高了岩层的承载能力；

（4）由于锚杆的作用，改变了边界岩体的受力状态，使其由一维应力状态转化为三维受力状态，提高了岩体的承载能力。

2.2 锚杆支护的力学指标

锚固力、预应（紧）力、轴向工作荷载、阻力特性曲线和极限伸长量等。

（1）锚杆锚固力：指锚杆在拉拔试验中的极限拉力，是锚杆拉出或拉断时的最小拉力。

（2）预应（紧）力：是安装锚杆时给其施加的初始锚固力，是及时控制巷道变形的保证；

（3）轴向工作荷载：为巷道变形稳定时锚杆承受的荷载。端部锚固锚杆的拉拔试验与实际工作时受力状态一致，是设计计算的主要指标。

（4）阻力特性曲线：即锚杆在拉拔试验时拉拔力和锚杆变形的关系曲线。按阻力特性可将锚杆分为刚性、增阻式和恒阻式三种。软岩巷道锚杆的初始锚固力不应小于49kN，终锚力不应小于60kN。锚杆的阻力特性应与软岩变形特性相匹配。

2.3 30205和4105工作面锚杆（索）施工质量监测内容及方法

（1）锚固力监测

锚杆（索）固力监测是锚杆支护施工质量检查中最基本的测量工作，其目的为：①了解锚杆实际受力状况和锚固质量是否达到设计值，是否出现了预应力松弛；②监测锚杆提供的最大锚固力，为锚杆支护设计提供依据。

传统锚固力大小一般是通过锚杆抗拔力试验进行监测，以检查锚杆安装质量。常见仪器是锚杆拉力计，因为有可能造成围岩损坏，不能大量普查，但它比较直观。

（2）锚杆（索）的工作载荷监测

承受荷载测试是测试巷道支护后锚杆实际受力状态的一种原位测试方法，工作荷载主要反映锚杆和承托岩石物件对围岩的实际锚固力，是锚杆支护巷道监测的一项重要内容。通过分析锚杆支护软岩巷道在服务期间锚杆的荷载变化情况，监测锚杆工作状态，了解锚杆实际受力状况和锚固质量是否达到设计值，可为调整和修改支护参数提供实测依据。

传统的锚杆荷载一般用锚杆测力计、液压枕，不利于大面积使用，若大面积使用，安装设备较多，费用较高。

注：在支护期间，锚杆或锚索的荷载受到许多因素的影响，导致荷载的不断变化。所以，需要不断进行监测，以随时掌握受力状态。

（3）锚杆（索）的初始预紧力监测

对锚杆施加初始预紧力是充分发挥锚杆主动支护作用，使其与围岩共同承载的关键。在安装锚杆时，施加足够的预紧力可以消除锚杆构件的初始滑移量，增大围岩抗拉、抗剪能力，防止围岩过早开裂，减缓围岩弱化过程。通常锚杆预应力合理范围，取锚固力的60%-70%；

3 观测方案

3.1 观测目的

（1）确定回采工作面运输顺槽和回风顺槽受超前支承压力影响下，锚杆（索）工作载荷变化情况，准确分析回采工作面运输顺槽和回风顺槽顶部和帮部压力显现特征（支承压力影响范围、支承压力分区及支承压力集中系数K值）

（2）确定距掘进面不同距离顶部及两帮锚杆锚索应力分布特征，尤其确定耙矸机前方不支护时，耙矸机后方锚索工作载荷是否在安全范围值以内

（3）确定巷道拱肩处，顶部、煤柱侧巷道断面不同地点的应力特征。

（4）确定2-2-2型锚索布置情况下的锚索受力特征

（5）确定在回采面前方一定区域，经历不同时间及周期来压时，锚杆（索）工作载荷变化特征；

3.2 观测方案

图1 4105工作面分布图

图2 巷道断面锚杆（索）布置示意图

注：图示所有位置标注均为面向工作面示意图

（1）确定回采工作面运输顺槽和回风顺槽受超前支承压力影响下，锚杆（索）工作载荷变化情况，准确分析回采工作面运输顺槽和回风顺槽顶部和帮部压力显现特征（支承压力影响范围、支承压力分区及支承压力集中系数K值）

对30205工作面运输顺槽和回风顺槽从端头开始监测，在距工作面30m范围内，锚杆每隔5m监测一个断面，锚索每隔3m监测一个断面，每个断面监测包括断面上煤柱侧帮部锚杆和顶部锚杆共9根锚杆和2根锚索；30m以后，锚杆每隔10m监测一个断面，锚索每隔9m监测一个断面，每条巷道监测总长度为50m；

（2）确定距工作面不同距离顶部及煤柱侧帮部锚杆、锚索应力分布特征，尤其确定片帮区顶部锚杆、锚索工作载荷是否在安全范围值以内对4105工作面进行监测，监测区域长50m，每隔3m监测一个断面，每个断面监测所有锚杆与锚索；

（3）确定巷道拱肩处，顶部锚杆（索）、煤柱侧巷道断面不同地点的应力特征；

（4）确定2-2-2型锚索布置情况下的锚索受力特征。

在（1）的监测数据中选取锚索工作载荷数据进行分析，确定对2-2-2型锚索布置受超前支承压力影响时应力分布特征；

在（2）的监测数据中选取锚索工作载荷数据进行分析，确定对2-2-2型锚索布置在沿空巷道不受超前支承压力影响时应力分布特征；

综上，最有效而又全面的监测方案如下：

①对30205回风巷端头至工作面前方50m监测，监测对象为采空区侧帮部第一根锚杆、帮部第二根锚杆和帮部第三根锚杆，监测锚杆数共计42根，监测次数为两次。

②对4105断层段进行锚杆（索）无损监测，运输顺槽断层位于距4105综放面开切眼258m，回风顺槽断层位于距4105综放面开切眼305m。在断层两侧分别监测锚杆（索）工作载荷，监测次数为两次。

③对30205运输巷端头至工作面前方50m监测，监测距离50m，每隔5m监测一个断面，监测对象为断面所有锚杆（索），监测次数为三次。

④对4105运输顺槽至工作面前方50m，监测距离为50m，监测对象为煤柱侧帮部锚杆（普通锚杆）、顶部锚杆（高强锚杆）与锚索，监测次数为两次。

⑤对4105回风顺槽至工作面前方50m，监测距离为50m，监测对象为断面所有锚杆（普通锚杆）与锚索，监测次数为两次。

3.3 观测仪器与评判标准

针对传统支护监测方法及存在问题，本次监测采用的是CMSW6（A）矿用锚杆（索）无损监测仪（图2），武汉长盛煤安科技有限公司生产，它的主要特点是能不破坏锚杆（索）的锚固效果、预应力及工作载荷的情况下方便、直接的显示出工作载荷值等测量数据，而且测试速度快，几分钟能完成一根测试；

本次观测的主要内容包括锚杆安装质量监测、锚杆锚固力监测和锚杆荷载监测。

（1）锚杆安装质量监测：主要监测锚杆安装的角度、间排距以及外露长度、托盘安装质量等，以确保锚杆施工质量。

（2）锚杆锚固力监测：锚固力大小一般是通过锚杆抗拔力进行监测，以检查锚杆安装质量。

（3）锚杆预紧力、轴向工作荷载观测：观测锚杆荷载的目的是分析巷道服务期间锚杆荷载变化情况，监测锚杆工作状态，为调整和修改支护参数提供实测依据。

3.4 煤矿锚杆（索）支护质量无损监测的评判标准

（1）初锚支护状态

设安装预应（紧）力设计值为Nc，初始预紧载荷为N，若

①120% Nc>N>=90%Nc，则认为施加预紧力为“优”；

②90% Nc>N>=80%Nc，则认为施加预紧力为“良”；

③80% Nc>N>=60%Nc，则认为施加预紧力为“合格”；

④N

（2）稳定支护状态

设杆体强度为Ng或锚固力Nm，工作载荷为N，若

①N

②50%Ng>N>=30%Ng（或Nm）为“较稳定”，支护状态为“良”；

③70%Ng>N>=50%Ng（或Nm）为“一般稳定”，支护状态为“合格”；

④N>=70% Ng（或Nm）为“稳定差”，支护状态为“差”。

（3）采动影响支护状态

设杆体强度（屈服极限）为Ng或锚固力Nm，工作载荷为N，若

①N

②60%Ng>N>=50%Ng（或Nm）为“影响较小”， 支护状态为“良”；

③80%Ng>N>=60%Ng（或Nm）为“影响较大”， 支护状态为“合格”

④N>=80%Ng（或Nm）为“影响很大”， 支护状态为“差”。

*说明：锚固力要大于杆体的抗拔力，若锚固力小于杆体抗拔力，认为应以实测锚固力为判定条件。

（4）巷道总体支护状态评价

①若单体“优”达到80%以上，无单体“差”，则认为“巷道总体支护状态评价”为“优”；

②若单体“良”达到80%以上，无单体“差”，则认为“巷道总体支护状态评价”为“良”；

③若单体“合格”达到90%，，单体“差”小于10%，则认为“巷道总体支护状态评价”为“合格”；

④若单体“差”大于30%，则认为“巷道总体支护状态评价”为“差”。

注：巷道的抽检率为3%-5%，最低监测根数为20根。

4 数据分析

基于所监测数据，对其进行初步分析，结果如下：

①对工作面前方各区段锚杆（索）工作载荷进行连续性分析；

②对2-2-2型布置锚索工作载荷进行对比分析；

③对普通锚杆与高强锚杆工作载荷对比分析；

④对帮部锚杆与顶板锚杆工作载荷对比分析等。

图6 30205回风巷采空区侧帮部第一根锚杆工作载荷

图7 30205回风巷采空区侧帮部第二根锚杆工作载荷

图8 30205回风巷采空区侧第三根锚杆工作载荷图

图9 30205回风巷实体煤侧锚索工作载荷图

图10 30205回风巷采空区侧锚索工作载荷图

图6-图10为30205回风巷帮部锚杆，顶板锚杆，顶板锚索受超前压力影响工作载荷图。所有锚杆（索）在超前支承压力影响下工作载荷基本处于偏高状态，在15m-28m之间为超前支承压力增高区，但仍处于安全值范围内。30205运输巷顶板锚索中，工作载荷值较小，考虑是由于顶板条件好，锚索受力较小。

总体评价：30205回风顺槽整体支护较好，变形量小，达到安全支护效果。

图11 2-2-2型锚索工作载荷图

图所示为30205回风巷2-2-2型锚索工作载荷对比图，距工作面相同位置

2-2-2型锚索布置中，实体煤侧锚索平均值与采空区侧锚索平均值比值为1.03，可知实体煤侧与采空区侧总体受力相当。距离工作面相同距离实体煤侧与采空区侧锚索受力总是一大一小，说明锚索在对其施加初始锚固力后，锚索不是同时受力。

总体评价：锚索为联合支护，能够满足顶板支护要求。

图12 30205运输巷煤柱侧帮部第一根锚杆工作载荷

图13 30205运输巷煤柱侧顶板第三根锚杆工作载荷

图12、图13为30205运输巷帮部锚杆，顶板锚杆受超前压力影响工作载荷图。在超前支承压力影响下锚杆工作载荷基本处于偏高状态，在17m-29m之间为超前支承压力增高区，但仍处于安全值范围内。30205运输巷顶板条件较好，顶板锚杆受力相对较小。

总体评价：30205运输巷整体支护较好，变形量小，达到安全支护效果。

图14 4105进风巷煤柱侧帮部第一根锚杆工作载荷

图15 4105进风巷实体煤侧顶板第二根锚杆工作载荷

图16 4105进风巷煤柱侧顶板锚索工作载荷

4105进风巷煤柱侧帮部锚杆工作载荷基本达到正常范围值，部分锚杆由于片帮和煤破碎锚杆与锚索未达到理想工作载荷值（即达到锚固力的1/3-2/3），考虑锚杆（索）失效。

4105进风巷顶板锚索中，工作载荷均达到60KN以上，最大140KN，达到正常工作载荷范围以内，工作载荷达到100KN以上，应稍加注意，但仍处安全范围值内。

总体评价：4105进风巷距离开切眼100-300m变形量较大，采用架棚支护，但支护效果并不理想，帮部煤体松散，裂隙较发育，使得锚杆未达到理想工作载荷值，部分锚杆甚至失效。距开切眼140m后片帮严重，帮部锚杆全部失效。巷道支护总体不理想，有安全隐患。

图17 4105回风巷实体煤侧顶板第三根锚杆工作载荷

图18 4105回风巷实体煤侧顶板锚索工作载荷

图19 4105回风巷采空区侧顶板锚索工作载荷

图示为4105回风巷锚杆（索）所受工作载荷图，实体煤侧顶板第三根锚杆工作载荷较小，均小于50KN，实体煤侧与采空区侧锚索部分工作载荷较大，多数大于60KN，但仍处于安全范围值内。

总体评价：4105回风巷顶板煤体较破碎，帮部变形量不大，整体支护效果良好。

4105工作面从5月份开采，到7月底仅采了100m，究其原因是由于巷道布置不合理，进风巷变形量较大的位置为距4105开切眼100m-300m，采用架棚支护，但未达到理想支护效果，还需改进设计方案。4105回风巷距离30205回

具体原因如下：

①受3煤工作面前方超前压力的影响

②受3煤工作面后方覆岩运动产生的力

③4煤工作面前方超前压力产生的力

④受4103与4105侧向固定支承压力影响

普通圆钢锚杆与左旋螺纹锚杆工作载荷对比图

工作载荷值大于屈服极限值的锚杆、锚索统计

表1 各巷道锚杆（索）参数列表

说明：

（1）30205回风巷工作面前方50m内，测试的煤柱侧帮部锚杆44根，均为普通圆钢锚杆，没有超过屈服载荷（6.2t）的锚杆；测试的顶部锚杆为28根，，均为左旋螺纹锚杆，仅有一根顶板锚杆超过屈服载荷（7.8t）。说明设计的帮部和顶部锚杆工作阻力偏小；

（2）7月24日，4105工作面共开采100m，在距离工作面200m范围内，由于4105进风巷变形较大，采用架棚支护控制巷道变形，效果不是很理想，巷道高度最低仅有1.27m，原巷道宽度为5m，现仅有3m多，帮部煤较破碎，锚杆不能达到理想支护效果；锚杆（索）工作载荷普遍不大；距工作面40m以后由于片帮严重，致使帮部锚杆全部失效。

通过以上锚索及锚杆支护监测数据分析，结论如下：3025工作面受采动影响较小，锚杆（索）支护能够满足安全回采；4105工作面由于布置于3025工作面正下方，受上下采动叠加影响，通过锚杆以及锚索手里监测分析，需要加强支护，目前该矿已经采取加设单体棚联合支护。锚杆（索）受力监测可以通过科学仪器手段，可以比较直观分析矿井顶板压力，给安全生产提供了科学准确的数据分析基础。

作者简介：丁志刚（1980，5-）男，2009年7月毕业于武汉理工大学采矿工程专业，本科学历，现担任中煤第一建设有限公司南阳坡分公司副经理。