煤礦快速掘進(jìn)技術(shù)中錨桿支護(hù)影響因素及方案設(shè)計(jì)

＊高 飛

（柳林縣安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心 山西 033300）

目前，在煤礦行業(yè)快速掘進(jìn)過程中，技術(shù)人員需同步采用錨桿支護(hù)技術(shù)，維持作業(yè)礦道巷道的穩(wěn)定。由于不同煤礦的地質(zhì)環(huán)境存在一定差異，因此在煤礦開采過程中，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合對(duì)應(yīng)地質(zhì)環(huán)境制定合理的支護(hù)方案。由此可見，積極開展煤礦快速掘進(jìn)技術(shù)中錨桿支護(hù)研究對(duì)于提高煤礦整體開采效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)概述

(1)設(shè)計(jì)方案與參數(shù)

在機(jī)械支護(hù)方案中，其方案的應(yīng)用的原理主要依據(jù)如下內(nèi)容：即組合拱、懸吊、加固等三類理念。在設(shè)計(jì)方案集成吸收上述理論后，設(shè)計(jì)人員通過深度計(jì)算以及綜合對(duì)比確定對(duì)應(yīng)支護(hù)方案。但就實(shí)際而言，地質(zhì)環(huán)境的具體差異相對(duì)較大，因此錨桿支護(hù)方案需結(jié)合本地區(qū)的地質(zhì)歷史數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。為進(jìn)一步提高勘測(cè)的參數(shù)精度，錨桿操作人員應(yīng)將地應(yīng)力數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，并采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，合理平衡支護(hù)方案布置。通常情況下，支護(hù)方案需配合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)，同時(shí)相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)對(duì)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多次校準(zhǔn)，隨后方可投入到實(shí)際方案中。另外錨桿支護(hù)的具體方案需通過數(shù)次修改進(jìn)行綜合評(píng)定。待設(shè)計(jì)方案選定后，還需根據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域頂周邊巖層的周期性應(yīng)力以及壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，從而輔助后續(xù)采掘方案制定。

(2)設(shè)計(jì)掘錨新機(jī)具

在實(shí)際應(yīng)用層面，多數(shù)礦區(qū)使用的連續(xù)快速掘進(jìn)開采設(shè)備以及對(duì)應(yīng)輔助技術(shù)如下：固定皮帶機(jī)運(yùn)煤、頂錨機(jī)鉆孔作業(yè)、掘進(jìn)機(jī)割橋式膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)，以此形成快速掘進(jìn)以及支護(hù)操作。但此類方法的缺點(diǎn)在于作業(yè)周期相對(duì)較長(zhǎng)，難以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)應(yīng)任務(wù)，支護(hù)工作相對(duì)繁瑣，掘進(jìn)速度相對(duì)較慢，不利于短周期項(xiàng)目。因此，要進(jìn)一步提高煤巷錨桿支護(hù)的整體速度，則需采用掘錨聯(lián)合機(jī)組，同步開展掘進(jìn)以及支護(hù)作業(yè)。在實(shí)際作業(yè)過程中，要顯著提高整體掘進(jìn)效率則需集中資源，不斷提高以下兩方面屬性：一是優(yōu)化設(shè)備的單位輸出功率，二是增加鉆孔速度。目前，國內(nèi)多數(shù)煤礦均引入了技術(shù)成熟、配套設(shè)備完善的掘進(jìn)機(jī)具，常用的MQT-50型風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)則在穩(wěn)定性方面存在問題，且鉆進(jìn)速度較慢，故障率較高。因此，在實(shí)際作業(yè)過程中，應(yīng)結(jié)合具體需求選擇對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)，以此保證實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)技術(shù)發(fā)揮預(yù)定作用。

(3)提高安裝預(yù)緊力

組合梁是一類效果好、作業(yè)周期短的支護(hù)方案，其原理如下：增加結(jié)構(gòu)安裝的預(yù)緊力可大幅提高頂板內(nèi)的巖層的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而確保頂板巖梁可在拉應(yīng)力下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通常情況下，扭矩與預(yù)緊力強(qiáng)度可根據(jù)對(duì)應(yīng)操作進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，從而根據(jù)需求在兩者之間進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整，如此一來，即可在規(guī)定安裝方案要求下達(dá)到預(yù)定的結(jié)構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度，從而維持整體結(jié)構(gòu)完整。

(4)錨桿聯(lián)合支護(hù)

在部分錨桿支護(hù)項(xiàng)目中，其主要提供圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效果，但需注意開采過程中造成的巖層應(yīng)力變化問題，當(dāng)圍巖屬于軟巖層中時(shí)，則可能受到開采擾動(dòng)而出現(xiàn)形變，此時(shí)要維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定則需采取聯(lián)合支護(hù)。在巖層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的礦井中，巷道軸線附近位置的巖層結(jié)構(gòu)較為脆弱，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)作業(yè)模式與預(yù)期規(guī)劃的支護(hù)強(qiáng)度相差較大，進(jìn)而在作業(yè)期間需采用其他輔助手段，例如，縮短錨桿間距、增加鉆孔深度、大直徑錨桿、頂板注漿等輔助措施。同時(shí)在支護(hù)過程中，技術(shù)人員需結(jié)合支護(hù)方案的實(shí)際效果，同時(shí)綜合礦井周邊巖層應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行支護(hù)方案調(diào)整，從而在后續(xù)開采作業(yè)中實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)作業(yè)。

圖1 不同地質(zhì)環(huán)境下的錨桿支護(hù)

(5)二次支護(hù)

在設(shè)計(jì)方案規(guī)劃中，設(shè)計(jì)人員需針對(duì)圍巖承受能力進(jìn)行計(jì)算，綜合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的具體信息，合理調(diào)整錨桿支護(hù)方案，確保錨桿之間距離符合規(guī)劃需求，針對(duì)部分特殊區(qū)域制定對(duì)應(yīng)的錨桿布置方案，同時(shí)跟隨對(duì)掘設(shè)備開展二次支護(hù)作業(yè)，隨之再進(jìn)行迎頭支護(hù)平行作業(yè)，以此確保使支護(hù)強(qiáng)度和以及結(jié)構(gòu)密度相互平衡。在實(shí)際作業(yè)過程中，操作人員還需針對(duì)迎頭支護(hù)平行作業(yè)和二次支護(hù)作業(yè)的位置以及進(jìn)度進(jìn)行合理規(guī)劃。必要時(shí)可采用小孔徑柔性錨桿提高二次支護(hù)的整體強(qiáng)度，切實(shí)提高整體支護(hù)方案的科學(xué)性。

2.煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)的影響因素

目前，在煤礦快速掘進(jìn)過程中錨桿支護(hù)是現(xiàn)階段使用較為普遍的一類技術(shù)類型，對(duì)于提高煤礦企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益具有顯著效果，但就實(shí)際而言，我國錨桿支護(hù)技術(shù)研究起步時(shí)間較短，與成熟國家仍有一定的差距，在實(shí)際使用過程中，技術(shù)人員需根據(jù)對(duì)應(yīng)問題和缺陷開展針對(duì)性優(yōu)化。從技術(shù)應(yīng)用角度而言，影響煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)的因素通常集中在如下幾個(gè)方面。

(1)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，主要存在的缺陷集中在設(shè)計(jì)方案層面，設(shè)計(jì)方案的整體布局以及形式較為單一，在實(shí)踐過程中，常用的設(shè)計(jì)類型和形式可大致分為兩類，即工程類比法和理論分析法，但從使用角度而言，上述兩種方法仍然存在一定問題，難以支持不同使用環(huán)境下的具體使用需求，工程類比法的問題主要集中在設(shè)計(jì)理念層面，多數(shù)技術(shù)人員的設(shè)計(jì)方案難以融合現(xiàn)今的設(shè)計(jì)理念，整體設(shè)計(jì)方案多由歷史設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而來，因此有足夠的合理性和科學(xué)性，而在此環(huán)境下，若采用理論分析的方法也難以使用特殊的使用需求。例如，在煤礦井下的整體作業(yè)環(huán)境始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，因此設(shè)計(jì)方案過度重視理論分析結(jié)果，則可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案缺乏實(shí)用價(jià)值?？偟膩碚f，技術(shù)人員在選定設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)重視實(shí)際勘查數(shù)據(jù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)目前的作業(yè)環(huán)境，不能很好地應(yīng)用在煤礦快速掘進(jìn)的過程當(dāng)中。

(2)煤礦礦區(qū)地質(zhì)條件方面

煤礦礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的差異性可能導(dǎo)致具體支護(hù)方案應(yīng)用過程出現(xiàn)技術(shù)性問題。眾所周知，煤礦礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境通常較為復(fù)雜，因此在作業(yè)準(zhǔn)備階段中，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)煤礦快速掘進(jìn)工作的周邊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算與分析，但就實(shí)際而言，多數(shù)企業(yè)在應(yīng)用煤礦支護(hù)技術(shù)過程中并未針對(duì)周邊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行深入勘查測(cè)算，同時(shí)也忽視圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、錨固性等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)作業(yè)過程中出現(xiàn)大量問題，在使用支護(hù)技術(shù)時(shí)存在大量的風(fēng)險(xiǎn)性因素，同時(shí)在缺少數(shù)據(jù)支持的環(huán)境下，技術(shù)人員就通常無法對(duì)錨桿支護(hù)方案制定對(duì)應(yīng)的加固措施，因此錨桿的支護(hù)工作效果與預(yù)定規(guī)劃方案存在差距，牢固性較差，長(zhǎng)此以往，就會(huì)導(dǎo)致頂板事故的發(fā)生。

(3)錨桿作業(yè)施工

在具體作業(yè)過程中，導(dǎo)致整體支護(hù)作業(yè)方案難以滿足實(shí)用需求的核心問題在于錨桿施工標(biāo)準(zhǔn)較差，難以滿足對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，因而后續(xù)實(shí)用過程中，難以應(yīng)對(duì)周邊的地質(zhì)活動(dòng)情況，在部分復(fù)雜地形環(huán)境下時(shí)常出現(xiàn)錨桿固定失效問題，進(jìn)而影響后續(xù)施工作業(yè)。

3.強(qiáng)化煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)的主要思路

(1)結(jié)合實(shí)際不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及對(duì)應(yīng)參數(shù)

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員應(yīng)充分結(jié)合支護(hù)技術(shù)相關(guān)理論，結(jié)合地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算公式法和工程類比法的靈活應(yīng)用，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用過程中，技術(shù)人員應(yīng)不斷進(jìn)行周邊巖層數(shù)據(jù)的采集與分析，并結(jié)合分析結(jié)果制定對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。另外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合支護(hù)作業(yè)班組的實(shí)際反饋情況對(duì)整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行后續(xù)調(diào)整，以此確保整體設(shè)計(jì)方案具備科學(xué)性以及有效性。除此之外，在具體規(guī)劃方案制定期間，技術(shù)員應(yīng)綜合歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)際勘查設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，合理規(guī)劃錨桿支護(hù)方案在快速掘進(jìn)施工中的落實(shí)方案。

(2)開發(fā)新型的掘錨設(shè)備

一般情況下，多數(shù)煤礦企業(yè)在應(yīng)用煤巷快速掘進(jìn)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，通常采用固定皮帶機(jī)、頂錨機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備，以此完成對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)以及支護(hù)操作。但此類方法的缺點(diǎn)在于作業(yè)周期相對(duì)較長(zhǎng)，難以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)應(yīng)任務(wù)，支護(hù)工作相對(duì)繁瑣，機(jī)掘速度相對(duì)較慢，不利于短周期項(xiàng)目。針對(duì)此類問題，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求不斷引入信息化設(shè)備，通過采用一體化工作系統(tǒng)，將掘進(jìn)與支護(hù)設(shè)備進(jìn)行同步操作，以此提高整體設(shè)備的運(yùn)作效率，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)的一體化作業(yè)。

(3)根據(jù)實(shí)際要求提高預(yù)緊力

錨桿組合梁是現(xiàn)階段支護(hù)的主要方式，其原理如下：通過提高組合梁的預(yù)緊力可大幅提高頂板內(nèi)的巖層的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而確保頂板巖梁可在拉應(yīng)力下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，在實(shí)際作業(yè)過程中，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目頂板的具體壓力以及周邊巖層的應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，合理調(diào)整預(yù)緊力的設(shè)置極限，確保支護(hù)裝置的承壓極限遠(yuǎn)高于頂部巖層的彎曲應(yīng)力，以此維護(hù)整個(gè)礦道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)是維持開采穩(wěn)定的基礎(chǔ)，在規(guī)劃建設(shè)錨桿時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)安裝作業(yè)施工標(biāo)準(zhǔn)。在具體型號(hào)選擇、方案規(guī)劃設(shè)計(jì)、鉆孔安裝深度等方面需綜合多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理調(diào)整。

(1)錨桿選擇及支護(hù)方案

錨桿的具體方案類型十分豐富，結(jié)合受力形式、施工方案、錨桿構(gòu)建、錨固方式等劃分，目前，在具體工作過程中主要根據(jù)作業(yè)形式以及結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行區(qū)分。在結(jié)構(gòu)角度，則可分為頂點(diǎn)與整體錨固兩類形式。根據(jù)煤礦工程的地質(zhì)環(huán)境差異，以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及人員布置差異，設(shè)計(jì)人員需不斷測(cè)算分析動(dòng)態(tài)巖層應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析承壓極限數(shù)據(jù)，并根據(jù)使用周期合理規(guī)劃，結(jié)合施工要求合理挑選對(duì)應(yīng)支護(hù)方案。錨桿支護(hù)布局方案千差萬別，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)布局方案可滿足不同類型的礦道支護(hù)需求，因而在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員可結(jié)合主觀部門需求以及實(shí)際地質(zhì)環(huán)境對(duì)錨桿支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整，使其滿足各階段開采支護(hù)需求。

圖2 錨桿鉆機(jī)

(2)錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

在井下深處作業(yè)時(shí)，多數(shù)巷道巖層頂部受采掘擾動(dòng)影響而整體結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱，隨著后續(xù)采掘工作的進(jìn)行，可能出現(xiàn)大規(guī)模脫離問題。所以對(duì)于錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)必須結(jié)合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的具體范圍繼續(xù)綜合性考慮，應(yīng)不斷采集對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)巖層的周期性變化以及擾動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，合理制定快速掘進(jìn)過程中的支護(hù)方案。首先根據(jù)巷道巖層勘查數(shù)據(jù)，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，計(jì)算錨固力，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案標(biāo)定錨桿各個(gè)尺寸參數(shù)，合理規(guī)劃錨桿間距、排距。其次結(jié)合礦井巖層的動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并綜合多類數(shù)據(jù)測(cè)算模型進(jìn)行錨桿參數(shù)的精確測(cè)定。最后利用防真模擬對(duì)實(shí)際支護(hù)方案的效果進(jìn)行判斷，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。

(3)錨桿的施工流程

在準(zhǔn)備工作完畢后，操作員方可進(jìn)行錨桿具體施工布置，在此過程中應(yīng)結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力、拉力數(shù)據(jù)制定對(duì)應(yīng)的錨固方案。另外，符合快速掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的作業(yè)流程如下：標(biāo)記點(diǎn)位→施工鉆孔→外表面處理→后續(xù)雜物清理→結(jié)構(gòu)拉伸→腰梁施工。具體注意事項(xiàng)如下：①根據(jù)設(shè)計(jì)要求定位，確保對(duì)應(yīng)工具及鉆孔方式符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。鉆孔時(shí)應(yīng)滿足規(guī)劃方案的基本要求。②合理挑選對(duì)應(yīng)尺寸錨桿開展班組施工作業(yè)，同時(shí)采用直立作業(yè)安裝，確保整體結(jié)構(gòu)以及部件的穩(wěn)固。在工序完成后，應(yīng)對(duì)錨桿進(jìn)行外部的處理，多采用特殊涂料以及漆料進(jìn)行密封操作。③預(yù)先準(zhǔn)備一定濃度的灌漿料，進(jìn)行點(diǎn)位清理，隨后將孔內(nèi)的多余灌漿料進(jìn)行抽出。④安裝錨桿時(shí)，應(yīng)采取結(jié)構(gòu)拉伸方案，在一段鎖定對(duì)應(yīng)錨具，并在預(yù)定位置進(jìn)行整體拉伸，以此提高錨桿的安裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5.結(jié)束語

綜上所述，積極開展礦快速掘進(jìn)技術(shù)中錨桿支護(hù)研究，有利于推動(dòng)煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)迅速發(fā)展，并快速占據(jù)市場(chǎng)地位，同時(shí)對(duì)整體煤炭行業(yè)的今后發(fā)展也起到積極的促進(jìn)作用。在實(shí)際施工過程中，煤礦企業(yè)必須重視快速掘進(jìn)技術(shù)中錨桿技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求，不斷優(yōu)化自身的整體技術(shù)水平，對(duì)不同環(huán)境的支護(hù)方案進(jìn)行深度優(yōu)化，同時(shí)企業(yè)應(yīng)不斷吸收同行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從而在底層技術(shù)架構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)技術(shù)的優(yōu)化與改善。