關于煤礦巷道錨桿支護的研究與應用

李皎

【摘 要】煤炭作為傳統的能源，在資源結構中依然占據著主導地位。隨著需求量的增加以及煤炭本身資源有限，我們不得不采取向深度開采的策略，在此過程中，需要解決地質條件惡化、地應力增大等問題，對煤礦巷道支護技術提出了更高的要求。本文分析了影響煤礦巷道錨桿支護技術的關鍵性因素，并在此基礎上提出了闡述了煤礦巷道支護技術在極軟巖巷道以及深部沿空留巷中的實際應用。

【關鍵詞】煤礦巷道；支護；應用

0 引言

隨著技術的發展，我國煤礦礦井的深度不斷增加，截止目前為止，開采深度已經超過1000米。我國煤礦的主要開采形式是井工開采，這就要求在作業過程中掘進大量的巷道。因此，采取有效的巷道支護技術是當下煤礦開采過程中的重要舉措，不僅可以提高生產效率，也是人員安全的重要保障。

1 煤礦巷道支護技術的形式

1.1 砌碹支護

砌碹支護技術較為傳統，是一種古老的支護方式。目前在大巷中仍然可以見到它的跡象。根據時代的不同，砌碹支護材料也發生了一定的變化，從最初的料石以及混凝土砌塊發展為現今的現澆鋼筋混凝土結構，其強度進一步加強。但是，總體上來說，砌碹支護的支護成本較高，經濟上不合理，而且其澆筑過程中需要耗費大量的勞動力，影響正常的施工進度，在圍巖變形較大的地區不適用。

1.2 棚式支架

棚式支護在20世紀90年代的應用較為廣泛，其支護使用率超過80%。根據支護材料的不同主要分為木材支護和金屬支護，由于木材支護的荷載承受有限，目前已逐漸被金屬支護所代替。金屬支護包括剛性支護和可伸縮性支護，材料的形狀有工字鋼以及U型鋼，其斷面形式也呈現出多樣化的形式，包括梯形、拱形以及圓形等。金屬支護的材料性質發生了一定的轉變，不僅強度增強，且重力減少，為施工提供了極大的便利性。

1.3 錨噴支護

錨噴支護的歷史可以追溯到20世紀50年代，最初是在巖巷中采用，發展至今，其技術初步成熟。噴射技術的優勢在于可以快速封鎖巷道，多見于突發情況的應用，如雨水量較大時可以采取該種方法，以減少水對圍巖的不良影響。錨固的桿件可及時支護圍巖，起到了良好的加固作用。

1.4 注漿加固

對于破碎的巖體，采取上述三種方式均難以取得較好的成效，而且成本較大。此時，注漿支護加固不失為一種好的方式。注漿支護的優勢在于可以將破碎的巖體粘結起來，起到了混凝土的作用，其強度大大增加，不僅利用了材料，而且效果客觀。巖體粘結后，由于其整體結構被改變，自身的承載能力大大增加，目前注漿材料主要有兩大類型：水泥基材料和高分子材料，具體采取何種形式可以根據巷道的地質條件來選擇。

2 煤礦巷道支護技術的關鍵性影響因素分析

對煤礦巷道研究的目的主要在于分析其四周巖石的位移以及一系列變形，從而不斷加固支護，做好裂縫的防護措施，確保施工的正常進行。巷道除了具備運輸的功能外，還需要有良好的通風條件，以保持礦井工作人員的安全。良好的通風還有利于緩解底部的潮濕，確保生產的穩定性。

2.1 巷道圍巖的強度

隨著施工的掘進，圍巖會發生不同程度的變形，尤其是軟土地帶表現得更加明顯，變形超過某一限定值時，就會產生破壞。隨著圍巖強度的增加，抗壓以及抗剪能力加強，當圍巖的強度達到極限時，頂部板的移動隨之變小，我們稱之為移近率。此時，單位時間內的移近率變化很小，主要是由于圍巖可以將荷載自行承受，以減少頂板的荷載。

2.2 地應力

地應力主要由兩個因素引起，包括自重以及地質構造產生的應力。地應力是破壞巷道圍巖的直接影響因素，在支護設計中有必要作為重點對象考慮。根據力學的性質，自重所產生的應力和巷道深度有關，地下掘進深度越深，那么地應力就越大，這和海底中產生的壓強是相似的。

3 煤礦巷道支護技術的實際應用

3.1 錨桿支護頂板穩定性分析模型

根據頂板所受預應力的類型，建立如下圖所示的模型，為理想狀態：

（a） （b） （c）

圖1

其中B——巷寬；X0——巷幫塑性區寬度；Q3m ——錨桿施加的軸向等效應力；D——潛在冒落塊高度；n——側向荷載深度比；nD ——側向力作用的深度；T——誘導側向力；Zo——誘導側向力與拱中心處應力組成力偶的初始力臂。

當錨固處于平衡狀態時，其應力狀態如圖（b）所示，可利用松弛法求解，具體計算步驟為：

首先假定側向荷載分布的深度為n0D， 則拱座內力和半跨度內力的初始力臂為：

Z0 = D（1-■n0） （1）

最大水平應力：R1max=■ （2）

平均水平應力：R1=■R1max（■+■） （3）

拱的弧長：L = B+■ （4）

拱的彈性縮短：△L =■L （5）

拱的高度及力臂：Z=（■（■-△L）） （6）

側向荷載深度比：n=■（1-■） （7）

在計算過程中，將Z0，n0 代入（2） 中的Z，n，根據式（2）-（7）順序計算R1max，R1，L，△L，Z和n。每個計算循環得到一個新的Z，n值，然后將它重新代入公式（2），開始新的循環，重復求解序列，直到獲得最大水平應力R1max和側向荷載深度比n的穩定值RT和nT。

3.2 煤礦巷道支護技術在極軟巖巷道中應用分析

軟土層的主要形式是壓縮性能強，土壤靈敏度極高，但是透水性很差。結合我國地質條件分析，天津塘沽、連云巷、上海、舟山、福州、廈門、泉州、漳州、廣州及洞庭湖、洪澤湖、太湖、鄱陽湖四周地區，長江中下游、珠江下游、淮河平原、松遼平原、昆明滇池周邊、貴州水城、盤縣等均存在不同程度在軟土層現象，對基礎設施的建設造成了一定的難度，其中就包括煤礦巷道掘進。在軟土地帶，和正常地帶相比，煤巖體存在強度破壞、內部結構松散等現象，且煤巖體在保存（下轉第33頁）（上接第89頁）不當的情況下還會出現易風化、遇水發生膨脹的現象，這對軟巖礦井中的巷道支護提出了更高的要求。針對膨脹性較強的煤巖，采取掘進斷面的形式，并且利用幾何知識，促使斷面呈現出直強半圓拱形。巷道設計時對預應力要尤其注意，建議采用高強度樹脂進行預應力的錨固。

3.3 煤礦巷道支護技術在深部沿空留巷中的應用分析

深部沿空留巷中的頂板極易產生變形，煤幫擠出現象嚴重。為了進一步加固深部沿空留巷，深部沿空留巷的支護離不開巖體活動規律、周圍巖體與支護的作用關系以及巷內支護、巷旁支護以及加強支護等問題。巖體活動規律主要是解決巖體作用的相互關系，根據頂板的活動特點，將其分為前期活動、過渡期活動以及后期活動等三個階段，分別計算出阻力，建立相應的力學模型，并且在試驗的基礎上應用于沿空留巷的支護；巷旁支護是采用高水材料和膏體材料相結合的方式，利用機械填充加固，此外，還可以采取錨索加強支護的方式；巷內支護的形式較多，有工字鋼、U形鋼以及聯合支護都能夠，隨著技術的發展，高預應力的支護系統得到了良好的推廣和應用。

4 小結

煤礦巷道在開采的過程中，實際情況遠比理論要復雜得多，折舊要求我們在掌握理論知識的同時，在礦井掘進過程中，根據巷道的實際情況，采取經濟合理的措施對巷道進行支護并且加固。此外，隨著掘進深度和長度的增加，地應力不斷加大，折舊要求相關技術人員結合工程實況來匹配正確的支護參數，包括支護錨固的數量以及規格等。在有必要的前提下，還需要更改支護方式，以此來確保掘進過程中的安全問題。

【參考文獻】

[1]單智勇.煤巷錨桿支護技術的分析研究[J].礦山壓力與頂板管理，2011（01）.

[2]楊德傳.煤巷錨桿支護應用現狀研究理論及當前研究重點[J].煤礦開采，2012（06）.

[責任編輯：丁艷]