厚煤層沿空留巷協(xié)同錨固主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：基于協(xié)同錨固技術(shù)和主動(dòng)支護(hù)方法，專門對厚煤層沿空留巷工程的具體特性進(jìn)行深入探討。全面審視了協(xié)同錨固的理論和方法，以及主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的原則和優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)研究具有深遠(yuǎn)的意義，在提高厚煤層沿空留巷的安全性和效率方面起著重要的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：厚煤層;沿空留巷;協(xié)同錨固;主動(dòng)支護(hù);穩(wěn)定性控制

1研究背景及意義

隨著煤礦開采深度的逐漸增加，沿空留巷這種支護(hù)手段在厚煤層開采過程中變得越來越常見。然而，這種做法也相應(yīng)地引發(fā)了多項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)際工程難題。因此，對厚煤層沿空留巷使用的協(xié)同錨固主動(dòng)支撐技術(shù)進(jìn)行深度探索具有不可或缺的價(jià)值。通過研究高效的支撐設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性管理技巧，不僅能增強(qiáng)礦井作業(yè)面的穩(wěn)定性和安全，同時(shí)也能優(yōu)化煤礦的生產(chǎn)效率，并大幅降低事故風(fēng)險(xiǎn)，這對于煤炭行業(yè)的長期發(fā)展有著顯著的促進(jìn)效果。

2協(xié)同錨固與主動(dòng)支護(hù)技術(shù)概述

2.1協(xié)同錨固理論與方法

基于協(xié)同作用的原理，協(xié)同錨固的理論和方法，融合圍巖錨固、支撐以及圍巖承載結(jié)構(gòu)的理論，其主要目的是改進(jìn)巷道圍巖的錨固系統(tǒng)。此方法主要聚焦于深處隧道中不同規(guī)模和層次的控制變量之間的相互競爭和協(xié)同作業(yè)。通過對幾何、物理、力學(xué)、結(jié)構(gòu)及發(fā)展參數(shù)的細(xì)致設(shè)計(jì)和調(diào)整，可以優(yōu)化圍巖錨定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，減少應(yīng)力的集中和形變，并大幅度提升總體的承載和穩(wěn)定性。

2.2主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的原理與優(yōu)勢

基于預(yù)應(yīng)力法則的主動(dòng)支護(hù)技術(shù)，是通過對巷道圍巖實(shí)施預(yù)應(yīng)力來提高其穩(wěn)定程度。其核心思想在于對周邊圍巖的柵極控制，使支撐結(jié)構(gòu)在安裝之后迅速施加支護(hù)力，并提前參與到圍巖的變化和破損中，進(jìn)一步防止或避免圍巖發(fā)生形變和破壞。主動(dòng)支護(hù)技術(shù)提供了實(shí)時(shí)的支護(hù)力監(jiān)控和調(diào)整機(jī)制，能夠?qū)ο锏绹鷰r進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)控與管理。相對于傳統(tǒng)的被動(dòng)式支護(hù)方法，這種技術(shù)有明顯的優(yōu)點(diǎn)：它不僅能有效地避免圍巖的大規(guī)模變形，減少維護(hù)的需求，還能增強(qiáng)巷道的整體穩(wěn)定性和持久性。另外，這種主動(dòng)支護(hù)方法能根據(jù)圍巖狀態(tài)的變動(dòng)作出適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，大幅度提升支護(hù)的效率，減少資源浪費(fèi)和施工開銷，達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)和安全的支護(hù)效果［1］。

2.3協(xié)同錨固與主動(dòng)支護(hù)的結(jié)合應(yīng)用

融合協(xié)同錨固技術(shù)和主動(dòng)支護(hù)策略，是為優(yōu)化錨固方法并最大限度地發(fā)揮其作用，從而有效解決深部巷道圍巖的穩(wěn)定問題，并達(dá)到安全目的。通過合理化和最優(yōu)化確定錨桿（索）的具體參數(shù)與材料比例，減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)目標(biāo)。這種合作不只增強(qiáng)了錨固的效果，同時(shí)還提高了通道的掘進(jìn)和控制速度，達(dá)到了高效目標(biāo)。協(xié)同控制與傳統(tǒng)的支護(hù)方法有明顯區(qū)別，它不僅注重子系統(tǒng)間的整體協(xié)同與合作，而且也重視子系統(tǒng)內(nèi)部的細(xì)節(jié)調(diào)整和優(yōu)化，更符合巷道圍巖穩(wěn)定性管理的基本準(zhǔn)則，有助于達(dá)到整體目標(biāo)。更具體地說，通過系統(tǒng)內(nèi)部以及各子系統(tǒng)之間的合作與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)錨固系統(tǒng)在更高層面上呈現(xiàn)“1+1gt;2”的特性，有利于促進(jìn)煤礦的安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益和工作效率。

3厚煤層沿空留巷錨固與支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1錨固巖體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化效應(yīng)

在進(jìn)行深層礦道挖掘后，圍巖一般被劃分為3大類：破裂區(qū)域（也稱為松動(dòng)圈）、塑性區(qū)域和彈性區(qū)域，與此相對應(yīng)的巖石構(gòu)造依次為破裂結(jié)構(gòu)、相對更完備的結(jié)構(gòu)及完全的結(jié)構(gòu)。通過錨桿或錨索的綜合控制功能，破裂的結(jié)構(gòu)有可能逐漸演變?yōu)楦鼮橥晟频恼w，或者說是完全的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變不僅明顯提高了錨固巖體的整體性和一致性，而且進(jìn)一步強(qiáng)化了巖石結(jié)構(gòu)的承載力和對抗變形與損壞的能力。在這種合作作用的推動(dòng)下，錨固巖體中的破裂面效應(yīng)逐步削弱，使得巖體的機(jī)械性質(zhì)逐步變得穩(wěn)定。

3.2錨固巖體變形抑制與協(xié)同效應(yīng)

錨固巖石的形變調(diào)控包括巖體自身以及錨固材料的形變，這兩個(gè)方面協(xié)同作用能夠形成一個(gè)有效抑制整體形變的綜合效果。通常，巖石的變形會(huì)嚴(yán)重影響其所在的位置和外形。錨桿或錨索所展現(xiàn)的協(xié)作控制功能，一方面可以顯著地限制錨固巖體中的結(jié)構(gòu)性變化，并通過錨固功能，使得挖掘后的巷道圍巖的形變從主要受結(jié)構(gòu)面的影響轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕艿綆r石結(jié)構(gòu)的控制。錨固不僅僅局限于錨固區(qū)的圍巖，而且對附近的非錨固圍巖也具有某些約束效果，這種特性使得巷道圍巖的全面變形得到了有效控制。這項(xiàng)控制措施有效地縮小了圍巖的變形范圍，增強(qiáng)了巷道的穩(wěn)固度。

深層通道具有強(qiáng)烈的流變性，這種錨定的巖石體結(jié)構(gòu)的抗變形能力使其具備柔軟控制特性，能夠適應(yīng)由高強(qiáng)度應(yīng)力引發(fā)的持續(xù)流變現(xiàn)象。錨桿（索）所展示出的主動(dòng)和靈活錨固功能，能夠根據(jù)圍巖的變化狀況進(jìn)行靈活調(diào)整，顯示出與其形變過程高度協(xié)調(diào)的特性。這一動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)不僅能夠高效地減小圍巖的形變，而且還具備適應(yīng)這種形變的特性，進(jìn)而使錨固系統(tǒng)在深部巷道內(nèi)展現(xiàn)出良好的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。對比傳統(tǒng)的金屬支架技術(shù)，很難產(chǎn)生這樣的優(yōu)勢，它們無法有效地管理圍巖的強(qiáng)烈流變和大幅度的形變特性［2］。

4沿空留巷的動(dòng)態(tài)承載與穩(wěn)定性控制

4.1動(dòng)態(tài)承載效應(yīng)分析

在進(jìn)行深部巷道開鑿后，因?yàn)楦邞?yīng)力的影響和多樣的地質(zhì)狀況，圍巖的控制過程成為一種高度復(fù)雜、具有動(dòng)態(tài)性和不確定性的現(xiàn)象。盡管錨桿和錨索能通過協(xié)同控制生成有效的組合梁或拱結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)錨固材料與巖體的聯(lián)合作用，但這種過程仍然具有顯著的“動(dòng)態(tài)”性質(zhì)。巷道圍巖錨固系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)承載力實(shí)際上是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，并隨著系統(tǒng)自身的成長和進(jìn)化而得到體現(xiàn)。本研究通過探討錨桿（索）的預(yù)緊力、密度、長度和角度等支護(hù)參數(shù)之間的相互作用，揭露了支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性所受到的作用?？茖W(xué)研究指出，只要支護(hù)變量在內(nèi)部及其間達(dá)到一定的協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)，支護(hù)系統(tǒng)便能展現(xiàn)出顯著的合作效能和交互影響，進(jìn)一步優(yōu)化了該系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)。

詳細(xì)來說，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力處于80～100 kN范圍，錨索預(yù)應(yīng)力在160～200 kN范圍內(nèi)時(shí)，所觀察到的支護(hù)巖體的最小主應(yīng)力的重疊區(qū)域分布非常均勻，從而形成了滿足巷道圍巖穩(wěn)定需求的加固區(qū)域。過度增加錨桿（索）的預(yù)應(yīng)力有可能對結(jié)果產(chǎn)生不良的影響。在保持預(yù)緊力的協(xié)同工作條件下，當(dāng)錨桿（索）的各種支護(hù)變量（如密度、長度、角度）達(dá)到一定的協(xié)同關(guān)系時(shí)，它們在整個(gè)支護(hù)巖體中能形成連續(xù)且均勻的加固區(qū)域，這將有效提高支護(hù)巖體的整體強(qiáng)度和承載力。當(dāng)錨桿與錨索同時(shí)施加力量，它們在預(yù)緊力、構(gòu)造、形變、支撐時(shí)機(jī)、強(qiáng)度、硬度和力學(xué)特性等關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出了明顯的協(xié)同效應(yīng)。

4.2加固錨索（梁）設(shè)計(jì)方案

為了在切頂過程及周期來壓階段維持巷道的穩(wěn)定，在預(yù)先進(jìn)行切頂前，選擇使用錨索（梁）來強(qiáng)化巷道的頂部結(jié)構(gòu)。詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)格包括：錨索的直徑為21.6 mm，其長度達(dá)到10 200 mm，預(yù)應(yīng)力為40 MPa，恒定阻塞器的尺寸是長500 mm、外徑73 mm，最大可接受變形量是350 mm，恒阻值是33±2時(shí)t，托盤大小為150×150 mm。在巷道的中心線，向開采側(cè)稍微偏移了1 900 mm，安裝了一行錨索梁，每根錨索之間的距離都是800 mm，并在每一根錨索的底部額外加設(shè)了一個(gè)250×250 mm的鐵制托盤。除此之外，在巷道的中心線處向回收方向偏向1 400 mm布置了一列口徑為21.6×10 200 mm的點(diǎn)錨索，這些錨索之間的間隔是1 600 mm，并且配備了一個(gè)400×400 mm的錨索托托架;在同一個(gè)地點(diǎn)，又放置一組28.6×11 300 mm的點(diǎn)錨索，這些錨索之間的距離為1 600 mm。與前一種錨索交錯(cuò)放置，并配備400×400 mm與250×250 mm的錨索托托盤。通過這種布局設(shè)計(jì)，可以加強(qiáng)頂板的穩(wěn)固性，并提升其承受力和抗形變性能。如圖1所示：

4.3綜合穩(wěn)定性控制策略

在深處巷道的圍巖穩(wěn)定控制過程中，全面穩(wěn)定的控制策略綜合考慮了主動(dòng)支撐技術(shù)、協(xié)調(diào)的錨固方法和整體支護(hù)設(shè)計(jì)，目的是確保巷道在高應(yīng)力及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下維持其安全和穩(wěn)定。采用主動(dòng)支持的技術(shù)，通過錨桿與錨索之間的緊密合作，成功提升了圍巖的整體穩(wěn)定性和承受能力，促使破裂的結(jié)構(gòu)向更加完整的形態(tài)轉(zhuǎn)變，顯著增強(qiáng)了圍巖的防變形與防破壞性能。在此同時(shí)，錨桿與錨索的變形的調(diào)控與和諧作用，使得在巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形時(shí)可以給予柔和的管理，適應(yīng)由高應(yīng)力導(dǎo)致的連續(xù)流動(dòng)，有效地控制圍巖變化并與之協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了這兩方面的效益。

5結(jié)語

經(jīng)過采用綜合穩(wěn)定性控制手段，深處巷道的圍巖穩(wěn)定性得到了顯著的增強(qiáng)，確保了巷道的持續(xù)運(yùn)作和安全生產(chǎn)。這套綜合性的控制策略不僅從理論角度得到了全面的檢驗(yàn)，而且在實(shí)踐中也顯示出顯著的效益，為深層礦井的工程安全以及其可持續(xù)性提供了有力的支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］錢志良，楊宏偉，高宏.變厚煤層沿空留巷支護(hù)技術(shù)［J］.煤礦安全，2019，50（7）：124129.

［2］支光輝.“三軟”厚煤層綜放工作面沿空掘巷圍巖錨固控制研究［D］.焦作：河南理工大學(xué)，2020.

作者簡介：鄭永亮，男，山東壽光人，工程師，本科，研究方向：采掘工程。