李志兵，马静冉，韩云春，邓东生，任波，段昌瑞

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232100；2.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232100；3.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232100)

0 引言

2017年11月4日22时26分，淮南矿业集团有限公司潘三矿综采三队1632(3)工作面轨道巷发生锚索断裂事故(该断裂锚索为轨道巷掘进期间即支护的锚索)，导致1人死亡，破坏了矿井的安全生产，并产生了较坏的社会影响。事故发生时，工作面退尺(轨顺970.8 m，运顺950.6 m)，锚索破断地点距离工作面煤壁263 m。为此，通过分析事故特点和原因，提出防范措施，以期为类似条件下工作面的安全生产提供参考。

1 工作面概况

1632(3)工作面走向平均长度1 344 m，倾斜长度236～255 m。煤层倾角4°～12°，平均6°，赋存稳定。地面标高+21.2～+24.8 m，工作面标高-551.6～-617 m。该面掘进期间运顺R80点向外，轨顺局部沿13-2煤顶板，其余均沿13-1煤顶板施工，面内13-1煤厚0.1～5.5 m，均厚4.0 m。初采期间的采高为3～3.5 m，正常回采的采高为3～4.5 m。

该面位于西三上部采区，东起西三采区上山，西至潘三-丁集矿井井田边界，北至1622(3)运顺，南邻F24逆断层。该面轨顺自拨门口向里930 m受断层F24 ∠45～55°H=50～75 m(逆)影响，距断层下盘15～30 m。1642(1)工作面于2014年7月收作，事故点距收作线57 m(平距)。1632(3)工作面基本情况见表1。

表1 1632(3)工作面概况

2 断锚点概况

2.1 断锚点巷道顶板岩性及支护设计

断锚点巷道顶板岩性：1632(3)工作面轨道巷事故点巷道顶板岩性依次为1.1 m砂质泥岩、0.5 m煤线、0.8 m砂质泥岩、1.0 m煤线(13-2煤)，3.6 m砂质泥岩等，具体如图1所示。

图1 事故点巷道顶板岩性柱状图

断锚点巷道支护设计：巷道设计断面尺寸为3.3 m×5.2 m(高×宽)，采用锚网索支护，顶板锚杆间排距为750 mm×800 mm，配合使用M5钢带挂金属网支护，锚杆预紧力150 N·m；顶板使用φ22 mm×6.3 m锚索配合T3钢带支护，“5-5-5”布置，锚索预紧扭矩150 kN。帮部锚杆间排距为800 mm×800 mm，配合使用平钢带挂金属网支护，锚杆预紧力4 kN。锚杆规格为φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，钢筋网为10#金属网。巷道支护设计基本参数见表2。

表2 1632(3)轨顺(断锚点)巷道设计及支护情况

2.2 断锚点矿压显现特征及分析

1632(3)工作面轨道巷事故发生后，调查组及时到事故点，调查发现事故点巷道矿压显现具有如下特点。

事故点巷道处于应力稳定期：事故点距离回采工作面煤壁263 m，未受回采超前支承压力影响，处于应力稳定期。

巷道表面变形剧烈：两帮及顶底板移近量大，围岩严重破坏，巷道围岩蠕变现象十分明显，说明该处巷道围岩承受压力大，支护强度低，不足以控制巷道浅部围岩流变。

锚索出现退锚、破断现象严重：巷道内支护失效锚索频繁发生，事故锚索外露段散开，四根钢绞线在锁具处破断，因巷道顶板发生大变形，锚索材料、结构本身不适应该顶板围岩的大变形，导致锚索退锚过程产生强大扭矩，使锚索外露段散开，降低了锚索整体截面惯性矩，从而很容易造成钢绞线各个破断。

3 事故原因及防范措施

3.1 断锚点附加应力和矿压显现异常突出

大断层异常带对巷道维护的影响：1632(3)工作面轨道巷走向与断层F24 ∠45～55°H=50～75 m(逆)走向，自拨门口向里930m几近平行，并距断层下盘仅为15～30 m。①建模分析。根据Mohr-Coulomb准则，建立简化薄板模型，并基于平面应变问题的理论进行数值模拟及研究，分别观察距断层10 m、20 m、30 m远的巷道开挖后围岩塑性区变化并与没有断层存在时巷道开挖后围岩塑性区分布图对比分析断层对巷道围岩松动圈的影响[1]，具体如图2所示；②模型分析。由图2可以看出由于断层的存在，当巷道距断层小于30 m时，巷道围岩塑性区显著增大，在巷道的四角上产生较为严重的破坏，巷道围岩松动圈范围比无断层存在时扩大一倍左右；随着距离断层越来越远，巷道围岩松动圈受到断层的影响越来越小。具体分析1632(3)轨顺(自拨门口向里930 m)，其与断层F24 ∠45～55°H=50～75 m(逆)下盘仅为15～30 m，受断层影响大，巷道承受很大的构造应力，导致巷道塑性区范围显著增大，这是巷道围岩发生剧烈流变，浅部围岩出现大变形破坏的主要原因。

图2 断层对巷道围岩塑性区分布的影响

断锚点受下伏工作面边界煤柱的影响：①参考文献[2]使用有限元数值模拟软件，分析了单一11-2煤层开采对煤层倾向方向上覆围岩应力演化规律。随着工作面的不断推进，沿煤层倾斜方向，在采空区上方有一卸压区，由于煤层倾角近似水平，采空区两侧卸压角度基本一致，充分推进以后，卸压角基本稳定在70°左右；②事故所处工作面下伏1642(1)工作面于该面回采前3年收作，1642(1)工作面开采11-2煤层，根据地质资料11-2煤层与13-1煤层间距为70 m，断锚点距1642(1)工作面下边界平距仅为20.1 m，如图3所示；③因下伏1642(1)工作面的回采，上覆1632(3)工作面出现卸压区，其边界距1642(1)工作面下边界平距为70 m×tan70°=25.5 m。而断锚点距1642(1)工作面下边界平距仅为20.1 m，故该处不处于卸压区，相反，处于应力集中区，导致该处巷道围岩应力较大。

图3 1632(3)轨顺断锚点位置图

3.2 锚杆初始支护阻力低

锚杆、锚索协同支护的作用：锚杆、锚索协同支护是协同支护理论的重要组成部分，以预应力锚杆支护作为及时支护和加固巷道周围浅部围岩为主体，提高围岩的承载能力和自稳性。同时，通过预应力锚索的协同作用，一方面，在锚杆支护的基础上进一步提高支护强度，控制围岩变形破坏；另一方面，当围岩的破坏松动范围超过锚杆的锚固范围时，通过锚索的悬吊作用，将顶板松动区岩石悬吊于深部稳定的岩层，防止顶板失控冒落[3-4]。

锚杆预紧力与锚索预拉力关系：在锚杆锚索协同支护系统中，预应力作为它的1个主变量，对锚杆-锚索系统的协同起着至关重要的作用。当锚杆预紧力达到60 kN，锚索预应力达到120 kN时，能显著控制巷道顶板离层下沉量[5]。为使锚杆-锚索实现协同支护作用，当锚索预拉力为140～160 kN时，锚杆预紧力不小于60 kN；当锚索预拉力120～140 kN时，锚杆预紧力不小于40 kN[6]。

锚杆未充分发挥支护作用：潘三矿1632(3)工作面轨顺，顶板锚索设计预拉力150 kN，顶板锚杆应不小于预紧力60 kN，而该巷顶板锚杆设计预紧扭矩仅为150 N·m，锚杆预紧力仅仅可达33～40 kN[7-9]。导致锚索的利用率值较大，而锚杆的利用率较小，锚杆、锚索的预应力值不协同，锚索受力较大，而锚杆没有充分发挥支护作用，致使围岩初期的变形压力完全集中在锚索钢绞线上。

3.3 锚索锚具自锁能力不足

锚具自锁能力变弱的原因：锚索长时间使用过程中，夹片和锚环间会发生物理变化、化学变化(如生锈)，进而增大夹片和锚环间的摩擦角。夹片和钢绞线间的摩擦角由于夹片咬齿在长时间受力的情况下也会发生变形，从而降低该摩擦角，不利于锚具自锁[10]。

导致锚索退锚的原因：工程实践中，安装锚索锁具，预拉张紧时，有的夹片进入锚环深一些，有的浅一些，说明三片夹片与钢绞线间摩擦力不同，导致锚索偏载，在不考虑锚固段钢绞线锚固效果的情况下，三片夹片与钢绞线间摩擦角的差异可引起该现象。当锚索发生退锚时，摩擦角大的一片夹片握裹的钢丝绳承受较大的载荷，当达到承载极限时首先发生破断[11]。

3.4 防范措施

地质方面：工作面开采设计前，地质部门必须提供设计区域的煤层赋存条件、临近煤层开采情况、煤层顶底板岩性、地质构造、水文条件等[12-14]。

设计方面：加强工作面开采的设计布局，有效回避主要地质异常带的影响，不可避免时，采取有效措施；近距离煤层群开采时，注重先开采煤层对后开采煤层的影响，后采煤层工作面布置于卸压区。

技术方面：注重锚杆-锚索协同支护作用，注重锚杆在支护系统中的作用，增大锚杆支护预紧扭矩，当锚索涨拉力15 t时，φ22锚杆的预紧力6 t(扭矩应不小于200 N·m)，提高锚杆、锚索的利用效率。

时空方面：合理安排采掘接替关系，缩短支护材料服务时间。

施工方面：为提高锚具自锁能力，一方面可以减小摩擦角，可通过提高表面光洁度、涂油脂和蜡等方法来实现，尤其杜绝锚具使用前受井下环境污染；另一方面夹片的质量对锚具的性能产生重要影响，应严格质量把控。

安全管理：加强巷道安全巡查工作，建立台账，对矿压显现剧烈的巷道及时采取加固防护措施。

4 结论

(1)1632(3)工作面轨顺巷道布置位置不合理，巷道走向平行于断层走向，承受较大的构造应力，导致其塑性区范围较大；断锚点处于下伏工作面1642(1)边界煤柱应力集中影响范围内，导致巷道承受较大的围岩应力。

(2)锚杆初始支护阻力低，没能充分发挥锚杆支护能效，导致巷道浅部围岩自承能力差，应力过度往深部围岩转移，未实现锚杆-锚索协同支护；安装锚索锁具，预拉张紧时，夹片进入锚环深浅不一，导致锚索偏载；锚索长时间使用，易导致锚索锚具自锁能力不足，导致锚索退锚，局部钢绞线达到承载极限发生破断。

(3)在防范回采工作面巷道顶板锚索破断事故时，应结合该事故发生原因，从地质方面、设计方面、技术方面、时空方面、施工方面、安全管理6个方面严格执行保障措施。