礦建巷道用支護錨桿參數的選擇與優化

魏文祥

（河南能源新疆龜茲礦業，新疆 庫車 842000）

引言

作為當下煤礦開采的主要方式之一，地下巷道方式的有效應用事關煤炭生產的穩定與高效。就當下巷道掘進技術的發展而言，通常包含了破巖以及巷道支護等幾個主要部分。而在巷道掘進作業的開展過程中，為了保證巷道的穩定以及周邊圍巖的牢固，也必須采用可靠的支護方式。故加強支護錨桿參數的選擇與優化創新也尤為必要。

一、礦建工程巷道掘進錨桿支護技術的特點

（1）錨桿支護機械化程度高。在以往的煤炭開采工作職工，我們采用的都是棚式支護，這種支護形式已經不適應時代發展的需要了。工業發展越來越快之后，機械化的工作越來越受到人們的重視。錨桿支護技術就是較大范圍內的應用了機械化。由于棚式支護在實際操作的時候需要人為的去施工。錨桿支護技術不需要人為去安裝，節省了人力資源，降低了安裝工人的危險性。（2）錨桿支護技術科技含量高。我們知道錨桿支護技術更多的應用了先進的技術，在未來的發展過程中，我們需要加大對支護技術的提升。在實際施工的時候，需要結合工程的實際狀況對自己的技術進行升級。也可以引進先進的技術或者系統，例如BIM技術，通過模擬在巷道中的支護工作，發現并解決問題，保證巷道的安全。（3）錨桿支護技術支護強度高。錨桿支護是對巷道內壁的巖石和土壤等進行加固，防治其出現塌方的事故。錨桿支護技術比以往的支護技術，不僅僅方便了施工，更提高了巷道的整體支護強度。在實際施工的過程中，需要根據巷道的具體情況進行分析，對于一些土質或巖石較為松懈的地方需要延長錨桿的長度，或者加大對錨固劑的使用。（4）錨桿支護技術具有靈活多變的特點。錨桿支護技術是為了保證巷道的安全性，但是每個煤礦的實際情況又存在著差異，為了保證錨桿支護技術的順利應用，需要使用人員根據工程實際狀況進行調整。在開展礦建工作的時候，需要制定一個系統性的施工計劃，并制定施工組織設計，施工的時候嚴格按照施工組織設計開展工作。對于一些強度要求較高的土質需要施工人員采用強度高一些的支護技術。

二、巷道掘進錨桿支護技術的應用

（一）巷內支護

1.基本支護

在巷道掘進錨桿支護技術應用的過程中，需要有關施工人員能夠了解該技術相關知識的同時，還能掌握有關技術應用的要點，結合實際情況進行合理的應用，以起到良好的支護作用，發揮出該巷道掘進錨桿支護技術的作用。就巷道掘進中支護工作的類型而言，主要分為巷內以及巷旁支護，而巷內支護是最為基本的環節，做好其中的基本支護工作也是基本的要求，而要想真正提高基本支護的水平，就需要做好以下幾點：首先，在實際進行基本支護的過程中，需要有關人員能夠注重對于支護形式的確定，結合實際預應力、錨桿以及這支護系統方面的要求進行合理的選擇，可以加強錨索與強力錨桿之間的預應力，加強各個環節的控制，以保證圍巖以及周圍環境的穩定性以及為安全性。其次，還需要做好支護材料的準備工作，因為圍巷道里的圍巖是容易被破壞的，所以在進行挖掘作業的過程中，就要注意盡量選擇具有高延伸性以及高韌性的支護材料，通常而言，錨桿的組合構建為鋼帶，以保證作業環境的穩定。最后，還需要加強支護參數方面的考量。采用數值模擬的方式來進行實際對比，然后總結礦建工程的實際經驗，則能確定錨索和錨桿支護的具體參數數值。

2.加強支護

在進行巷內支護的過程中，除了要做好基本的支護工作外，還需要注意加強支護，以更好的保證圍巖的穩定性，推進相關作業的順利進行。為此，這就要求有關單位以及工作人員能夠積極的采取有效的控制措施，一般而言，在加強支護的作業階段，可以采取以下措施。首先，就是單體支柱配頂梁，這種措施具有一定的應用效果，該加強支護的設置，可以預防頂板的下沉，并有效控制頂板巖層離層，很大程度上可以保障頂板的完整性，以及為巷道掘進作業提供安全寬敞的施工空間，從而保證掘進作業順利運行。其次，還可以專門設定的加強支護液壓的支架。在這一加強支護的設置中，主要是有頂梁、底座、立柱和四連桿等方面機構做成，通過采取該措施，能夠進一步實現其推拉的自由移走。

（二）巷旁支護

在巷道掘進錨桿支護技術中，巷旁支護也存在較多的形式，而應用最廣地是充填式巷旁支護。該類支護方式在充填體變形性能以及充填體的強度性能方面具有較高的要求。一般來說，只有具有較好的變形性能和較高的強度，才能有效適應基本頂巖層旋轉下沉引起的變形，并且保證巷道內足夠的斷面積。充填式巷旁支護主要采用泵送方式，具體內容為：根據充填式巷道支護的要求，需要使用良好泵送性能的填充材料，且充填體上方的頂板也需提前做好錨索和錨桿支護等兩者之間的工作。同時，煤壁的位置需要沿著巷道長度5cm，且朝下3cm的工作范圍進行巷道掘進以及錨桿支護工作。并在錨桿支護工作時，將左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的直徑和長度進行相應的設置，一般將間排距設定為1000mm×900mm。然后在每排位置布置4根錨桿，均采用金屬網及鋼帶進行護頂。

三、礦建巷道用支護錨桿參數的選擇

由于礦建巷道所需的錨桿及配套托盤的數量非常大，因此優化錨桿及托盤參數對降低生產成本極為重要。本文主要的參數選擇與優化思路如下：在滿足支護強度的前提下，應該以盡量減小錨桿數量和控制生產成本為出發點，對錨桿直徑、長度與間距以及配套托盤的厚度進行選擇優化。

（一）錨桿直徑和長度

錨桿直徑是錨桿的主要參數，直徑越大，所承受的拉應力越大。本巷道初選目前廣泛應用于礦井建設的直徑為Φ20的螺紋鋼錨桿，長度為2m。錨桿及托盤的主要參數如表1所示。

表1 錨桿及托盤參數

（二）錨桿間距

錨桿間距是錨桿支護作業中的重要參數，如果錨桿間距過大，能夠降低生產成本，但是支護強度得不到保證；錨桿間距過小，支護強度高，但錨桿數量過多會造成錨桿的浪費及生產成本的增加，所以需要對錨桿的間距進行優化。查閱相關資料，煤礦巷道中錨桿間距s（m m）可由下面的經驗公式計算：

其中：d為錨桿的直徑，mm；L為錨桿錨固段的長度，取為0.3m；τ為錨桿的材料強度，取為240MPa；l為錨桿的長度，取為2m；q為頂板間壓強，取為0.3MPa；K為頂板的安全系數，一般選擇3～6，在此選擇5。將上述各參數代入式可得：

取錨桿直徑d＝20mm，所以計算s約為700mm。井底巷道斷面的錨桿布置示意如圖1所示。

圖1 井底巷道斷面圖

四、錨桿托盤優化

（一）承載力分析

通過對比得到托盤位移承載力曲線變化圖形，可知：①隨著托盤位移量增加，兩類托盤載荷逐步增強，且變化幅度基本一致；②在新舊托盤位移量相同時，新型托盤載荷超過原有托盤載荷高達100%。

（二）錨桿預緊力轉化效率

錨桿預緊力轉化效率是評價重要托盤性能的指標，其中新型托盤相對于原有托盤增加了球形墊圈和減摩墊片，轉化效率對比結果如圖9所示。可知：①隨著錨桿預緊力矩的增加，錨桿預緊力也在上升，但新型托盤比原托盤上升速度要快；②在同一錨桿預緊力前提下，新型托盤相對于原托盤預緊力提高了60%以上，加固支護效果也會明顯提升。

結束語

綜上所述，礦建工程巷道掘進錨桿支護技術的應用對提升施工的安全性以及穩定性方面發揮著巨大的作用，對提升我國礦建工程現代化建設的水平，保障礦建工程工作人員的生命安全具有重要的現實意義。近年來，隨著我國社會科技的不斷發展，礦建工程對巷道掘進錨桿支護技術的要求也越來越高，相關企業應該加大錨桿支護技術的科研力度，不斷發展和完善錨桿支護技術，讓其在礦建工程領域發揮更大的經濟效益。