煤礦井下掘進(jìn)過程中巷道錨桿支護(hù)的應(yīng)用

徐楠楠，劉嵩

（山東華新建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271219）

煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜、危險(xiǎn)且關(guān)鍵地工程活動(dòng)，巷道是連接采煤工作面與井口的通道，承擔(dān)著煤礦瓦斯抽放、通風(fēng)、物資運(yùn)輸?shù)戎匾δ?。煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)常常面臨地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道圍巖變形嚴(yán)重、瓦斯涌出等問題，給巷道的穩(wěn)定性帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。巷道錨桿支護(hù)作為一種常用的巷道支護(hù)技術(shù)，通過將錨桿固定在圍巖中，形成一個(gè)穩(wěn)定的支護(hù)體系，可以有效地防止巷道圍巖的變形和塌落，進(jìn)一步提升煤礦掘進(jìn)與開采的安全性。

1 錨桿支護(hù)在巷道施工中的價(jià)值作用

巷道施工是煤礦開采的重要環(huán)節(jié)之一，而巷道的穩(wěn)定性對(duì)于礦井的安全和高效運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。在巷道的掘進(jìn)過程中，地質(zhì)條件常常復(fù)雜多變，存在著地層變形、斷裂和巖層滑動(dòng)等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)巷道的穩(wěn)定性造成了威脅，甚至引發(fā)事故。而錨桿支護(hù)技術(shù)可以通過將錨桿固定在巖體中，增加巷道的承載能力和抗變形能力，有效地防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，提高巷道的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，巷道施工需要進(jìn)行大量的掘進(jìn)作業(yè)，而錨桿支護(hù)可以提供牢固的支撐，減少巷道的變形和沉陷，保證施工的順利進(jìn)行，利用錨桿支護(hù)可控制巷道的開挖面積，減少不必要的破壞，提高施工的質(zhì)量和效率。此外，錨桿支護(hù)技術(shù)還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。相比傳統(tǒng)的巷道支護(hù)技術(shù)，錨桿支護(hù)技術(shù)具有施工周期短、材料消耗少、工程成本低等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以降低巷道施工的投資成本，還可以減少對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)巷道施工和礦井開采的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 錨桿支護(hù)技術(shù)示意圖

2 掘進(jìn)巷道錨桿支護(hù)技術(shù)選擇影響因素

2.1 斷面形式

隨著我國(guó)煤礦開采規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，煤炭企業(yè)的開采巷道斷面也在逐步增加。同時(shí)，由于大型機(jī)械設(shè)備在煤礦開采領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要更寬廣的斷面進(jìn)行煤炭運(yùn)輸。在巷道斷面擴(kuò)大的背景下，支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用也面臨著更高的要求，不僅需要耗費(fèi)大量的施工時(shí)間和使用大量的支護(hù)材料，還需要根據(jù)掘進(jìn)支護(hù)的具體情況選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方法和技術(shù)。例如，對(duì)于直徑較小的巷道，可以采用錨索技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，具有操作簡(jiǎn)便、快速且節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高巷道的穩(wěn)定性和安全性。而對(duì)于較寬、較高的巷道，則可以采用鋼支架技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠有效地支撐和穩(wěn)定巷道，確保煤炭運(yùn)輸和生產(chǎn)的安全順利進(jìn)行。

2.2 開采深度

隨著煤礦開采深度的不斷擴(kuò)大，煤礦巷道的整體支護(hù)模式發(fā)生了巨大的變化。為了確保煤炭的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，需要綜合考慮巷道圍巖的整體應(yīng)力狀況，合理設(shè)計(jì)開采深度，并采用科學(xué)有效的支護(hù)技術(shù)。在開采深度持續(xù)增加的情況下，巷道所承受的地應(yīng)力也隨之大幅提高。為了確保巷道的穩(wěn)定性和安全性，需要采用更高強(qiáng)度、更具穩(wěn)定性的錨桿類型支護(hù)技術(shù)，通過錨固作用提供足夠的支撐力，有效控制巷道變形和破壞，保證煤炭的安全生產(chǎn)和運(yùn)輸。在選擇錨桿類型和長(zhǎng)度時(shí)，需要充分考慮巷道圍巖特性和地質(zhì)條件，不同的圍巖特性和地質(zhì)條件對(duì)錨桿支護(hù)的要求也不同，根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的錨桿長(zhǎng)度和安裝深度，以確保錨桿支護(hù)的效果和穩(wěn)定性。此外，在項(xiàng)目作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，還需要采取一系列措施保障錨桿支護(hù)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。例如，及時(shí)排除巷道內(nèi)的積水，避免積水對(duì)錨桿支護(hù)造成不利影響。同時(shí)，要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理和監(jiān)督，確保錨桿安裝、固定等環(huán)節(jié)的質(zhì)量和安全，最大程度地提升巷道施工的安全性和效率。

2.3 巷道圍巖完整度

圍巖的完整性對(duì)于提供穩(wěn)定支撐力至關(guān)重要，可以有效防止巖層移動(dòng)，并減少對(duì)錨桿的依賴程度。在巷道支護(hù)過程中，技術(shù)人員需要密切關(guān)注圍巖的完整度，以確保其不會(huì)發(fā)生垮落、坍塌以及內(nèi)部裂紋等情況。如果圍巖存在受損或不夠完整的情況，會(huì)導(dǎo)致巷道的應(yīng)力集中在錨桿上，從而增加錨桿失效的風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)人員需要根據(jù)巷道圍巖的具體情況，選擇適合的錨桿類型和安裝方式。例如，可以選擇具有特殊性能的錨桿，如抗剪切能力強(qiáng)、承載能力大的錨桿，以增強(qiáng)圍巖的支撐力和穩(wěn)定性。同時(shí)，還可以采用預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)，通過施加預(yù)應(yīng)力來(lái)增強(qiáng)錨桿的錨固效果，進(jìn)一步提高圍巖的穩(wěn)定性和安全性。此外，在安裝錨桿時(shí)，技術(shù)人員需要注意確保錨桿的安裝質(zhì)量。例如，要確保錨桿的錨固深度和角度符合設(shè)計(jì)要求，以確保錨桿能夠充分發(fā)揮其支撐作用，還需要加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督和管理，確保錨桿安裝過程的安全性和質(zhì)量。

2.4 支護(hù)參數(shù)

錨桿支護(hù)是煤礦井下安全掘進(jìn)的關(guān)鍵措施之一，能夠顯著提高巷道的穩(wěn)定性和安全性。為確保錨桿支護(hù)的有效性和安全性，施工技術(shù)人員需要深入理解錨桿支護(hù)的技術(shù)特征，并且根據(jù)煤礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，合理調(diào)整錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)煤礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)的特性和地質(zhì)條件，選擇適宜的錨桿直徑和長(zhǎng)度能夠提高錨桿的錨固力和穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)巷道的支撐能力，技術(shù)人員需要根據(jù)實(shí)際需求和地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)，合理選取錨桿直徑和長(zhǎng)度。數(shù)值模擬是一種有效的技術(shù)手段，可以對(duì)巖層力學(xué)參數(shù)和錨桿力學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)一步確定巷道的受力狀態(tài)，幫助技術(shù)人員更好地了解巷道的受力狀態(tài)和錨桿的力學(xué)行為，并為優(yōu)化巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

錨桿支護(hù)驗(yàn)算：頂板壓力公式：

式中，A所代表的是一般巷道跨度；F所代表的是巖石硬度系數(shù)；Y所代表的是頂板巖石平均容重。

錨桿長(zhǎng)度計(jì)算：結(jié)合懸吊理論進(jìn)行錨桿參數(shù)計(jì)算：

式中，L所代表的是錨桿總長(zhǎng)度；H所代表的是自然平衡拱高度；K所代表的是安全系數(shù)；L1所代表的是錨桿在穩(wěn)定巖層中的錨入深度；L2所代表的是巷道外錨桿外露長(zhǎng)度。

3 煤礦井下掘進(jìn)過程中巷道錨桿支護(hù)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 工程概述

在開采作業(yè)面設(shè)計(jì)中，規(guī)劃巷道的長(zhǎng)度為615m，選用具有優(yōu)秀的切割和挖掘性能的EBZ-260B型掘進(jìn)機(jī)，繼而高效地完成復(fù)雜的巷道作業(yè)。在巷道的施工過程中，我們采用臨時(shí)支護(hù)方式絲杠前探梁，以確保作業(yè)面的穩(wěn)定性和安全性，有效地支撐巷道頂部，防止巖石掉落，為作業(yè)人員提供一個(gè)相對(duì)安全的工作環(huán)境；永久支護(hù)方面選用錨桿支護(hù)技術(shù)，有效地加固巷道，提高其承載能力，確保巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。

巷道的斷面設(shè)計(jì)采用矩形的形狀，寬度為4.5m，高度為2.8m。這種設(shè)計(jì)能夠滿足巷道內(nèi)設(shè)備安裝和運(yùn)輸?shù)男枨?，同時(shí)也考慮了通風(fēng)和排水的要求，在0～27.7米的范圍內(nèi)，巷道的寬度將暫時(shí)擴(kuò)大至5.5m，以滿足特殊施工需求。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

在案例工程中，巷道頂板支護(hù)階段采用了“錨索+金屬網(wǎng)+錨桿+鋼筋帶”聯(lián)合支護(hù)方式。這種聯(lián)合支護(hù)方式能夠有效地提高巷道的穩(wěn)定性和安全性，降低頂板破損的風(fēng)險(xiǎn)。

錨桿采用的是φ18mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度為2200mm。這種錨桿具有較好的抗拉性能和錨固力，能夠有效地將巷道頂板與圍巖連接起來(lái)，提高頂板的穩(wěn)定性。錨桿布置的間距為1100mm和1200mm，這樣的布置能夠保證每個(gè)錨桿都能發(fā)揮其作用，達(dá)到最佳的支護(hù)效果。

為了實(shí)現(xiàn)金屬網(wǎng)與頂錨桿的聯(lián)合應(yīng)用，錨桿扭矩需要高于120N·m。通過將兩層金屬網(wǎng)應(yīng)用至頂板發(fā)生破碎的區(qū)域，能夠增強(qiáng)該區(qū)域的支撐能力，防止破碎頂板掉落，保證作業(yè)安全。針對(duì)5.5m寬度巷道和4.5m寬度巷道，采用不同規(guī)格的錨桿。6000mm的φ17.8mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿被應(yīng)用在其中，這種錨桿具有較好的抗拉性能和錨固力，能夠滿足不同寬度巷道的支護(hù)需求。錨桿布置的間距為2000mm和1500mm，排距布置為3600mm，這樣的布置能夠保證每個(gè)錨桿都能發(fā)揮其作用，達(dá)到最佳的支護(hù)效果。

3.2.2 兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)

在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，選用φ18mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿作為頂錨桿，長(zhǎng)度為1700mm，這種錨桿具有優(yōu)秀的抗拉性能和錨固力，能夠有效地將巷道頂板與圍巖連接起來(lái)，提高頂板的穩(wěn)定性。同時(shí)，采用φ4mm的冷絲金屬網(wǎng)作為金屬網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)尺寸被設(shè)計(jì)為40mm×40mm，這種金屬網(wǎng)具有較好的韌性和抗拉性能，能夠有效地增強(qiáng)巷道頂板的支撐能力，防止巖石掉落，保證作業(yè)安全。此外，針對(duì)兩幫的錨桿設(shè)置1000mm的間距和1200mm的排距，保證每個(gè)錨桿都能發(fā)揮其作用，繼而達(dá)到最佳的支護(hù)效果。

3.3 掘進(jìn)支護(hù)注意事項(xiàng)

3.3.1 有效控制錨桿扭矩力

在煤礦開采深度不斷加深的背景下，礦井的深度已經(jīng)達(dá)到了千米級(jí)別，在這樣的開采深度下，巷道圍巖的穩(wěn)定性面臨著更高的要求。由于地層壓力和開采擾動(dòng)的影響，巷道圍巖容易出現(xiàn)離層的情況，給巷道的支護(hù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。在進(jìn)行巷道支護(hù)的過程中，對(duì)錨桿扭矩力的控制顯得尤為重要。錨桿作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，需要具備抵抗離層沖擊力和應(yīng)力的能力，以避免巷道圍巖出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，施工技術(shù)人員需要盡可能地保證錨桿扭矩的合理性，將數(shù)值控制在300～400N·m的范圍以內(nèi)。當(dāng)錨桿的扭矩力在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，錨桿能夠更好地與圍巖緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高巷道的整體穩(wěn)定性，有效地減少圍巖離層的發(fā)生，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

3.3.2 提升錨桿受力合理性

在煤礦井下掘進(jìn)過程中，巷道錨桿的受力合理性對(duì)于其穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。當(dāng)錨桿受力超出其自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將直接影響錨桿的穩(wěn)定性，可能會(huì)導(dǎo)致錨桿出現(xiàn)不同程度的斷裂問題，甚至?xí)l(fā)多種安全隱患。

設(shè)計(jì)應(yīng)用托盤和螺母間配套的球形讓壓管，讓壓管在系統(tǒng)受到較強(qiáng)荷載作用下具有自適應(yīng)能力，能夠依托自身形變來(lái)增加錨桿延伸率，從而有效地防止巷道內(nèi)出現(xiàn)錨桿斷裂問題。同時(shí)，這種球形讓壓管的設(shè)計(jì)能夠有效地吸收和分散錨桿所受到的應(yīng)力，避免錨桿出現(xiàn)斷裂等問題，提高錨桿的穩(wěn)定性以及受力合理性，使得巷道內(nèi)的支護(hù)更加可靠和安全。

3.3.3 強(qiáng)化掘進(jìn)技術(shù)施工管理

在進(jìn)行煤礦井下掘進(jìn)施工時(shí)，為了確保巷道錨桿支護(hù)的質(zhì)量，施工管理人員必須嚴(yán)格監(jiān)督施工過程。一旦發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)存在施工問題，應(yīng)立即制止使用人員，以避免錨桿支護(hù)出現(xiàn)問題，從而影響井下巖土層的穩(wěn)定性。此外，在井下掘進(jìn)作業(yè)中，如果突發(fā)事故情況，施工管理人員需要及時(shí)采取相應(yīng)的緊急措施，安撫作業(yè)人員的緊張情緒，確保井下掘進(jìn)作業(yè)能夠有效地進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，煤礦井下掘進(jìn)過程中，巷道錨桿支護(hù)能夠有效地提高巷道的穩(wěn)定性和安全性，減少事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，不僅可以推動(dòng)煤礦井下安全生產(chǎn)的進(jìn)一步提升，還能夠?yàn)槊旱V的安全生產(chǎn)做出更大的貢獻(xiàn)。