煤礦快速掘進技術中錨桿支護影響因素及方案設計

＊高 飛

（柳林縣安全生產技術服務中心 山西 033300）

目前，在煤礦行業快速掘進過程中，技術人員需同步采用錨桿支護技術，維持作業礦道巷道的穩定。由于不同煤礦的地質環境存在一定差異，因此在煤礦開采過程中，技術人員應結合對應地質環境制定合理的支護方案。由此可見，積極開展煤礦快速掘進技術中錨桿支護研究對于提高煤礦整體開采效率具有重要的現實意義。

1.煤巷錨桿支護快速掘進技術概述

(1)設計方案與參數

在機械支護方案中，其方案的應用的原理主要依據如下內容：即組合拱、懸吊、加固等三類理念。在設計方案集成吸收上述理論后，設計人員通過深度計算以及綜合對比確定對應支護方案。但就實際而言，地質環境的具體差異相對較大，因此錨桿支護方案需結合本地區的地質歷史數據以及對應的勘查數據進行計算。為進一步提高勘測的參數精度，錨桿操作人員應將地應力數據作為基礎，并采用動態設計法，合理平衡支護方案布置。通常情況下，支護方案需配合現場數據檢測，同時相關技術人員應對檢測所得數據進行多次校準，隨后方可投入到實際方案中。另外錨桿支護的具體方案需通過數次修改進行綜合評定。待設計方案選定后，還需根據對目標區域頂周邊巖層的周期性應力以及壓力數據進行調整，從而輔助后續采掘方案制定。

(2)設計掘錨新機具

在實際應用層面，多數礦區使用的連續快速掘進開采設備以及對應輔助技術如下：固定皮帶機運煤、頂錨機鉆孔作業、掘進機割橋式膠帶轉載機，以此形成快速掘進以及支護操作。但此類方法的缺點在于作業周期相對較長，難以在短時間內完成對應任務，支護工作相對繁瑣，掘進速度相對較慢，不利于短周期項目。因此，要進一步提高煤巷錨桿支護的整體速度，則需采用掘錨聯合機組，同步開展掘進以及支護作業。在實際作業過程中，要顯著提高整體掘進效率則需集中資源，不斷提高以下兩方面屬性：一是優化設備的單位輸出功率，二是增加鉆孔速度。目前，國內多數煤礦均引入了技術成熟、配套設備完善的掘進機具，常用的MQT-50型風動錨桿鉆機則在穩定性方面存在問題，且鉆進速度較慢，故障率較高。因此，在實際作業過程中，應結合具體需求選擇對應的掘進機，以此保證實現快速掘進技術發揮預定作用。

(3)提高安裝預緊力

組合梁是一類效果好、作業周期短的支護方案，其原理如下：增加結構安裝的預緊力可大幅提高頂板內的巖層的整體結構穩定性，進而確保頂板巖梁可在拉應力下保持結構穩定。通常情況下，扭矩與預緊力強度可根據對應操作進行相互轉換，從而根據需求在兩者之間進行對應調整，如此一來，即可在規定安裝方案要求下達到預定的結構支護強度，從而維持整體結構完整。

(4)錨桿聯合支護

在部分錨桿支護項目中，其主要提供圍巖結構穩定效果，但需注意開采過程中造成的巖層應力變化問題，當圍巖屬于軟巖層中時，則可能受到開采擾動而出現形變，此時要維持結構穩定則需采取聯合支護。在巖層結構不穩定的礦井中，巷道軸線附近位置的巖層結構較為脆弱，傳統的錨桿支護作業模式與預期規劃的支護強度相差較大，進而在作業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。同時在支護過程中，技術人員需結合支護方案的實際效果，同時綜合礦井周邊巖層應力數據進行支護方案調整，從而在后續開采作業中實現快速支護作業。

圖1 不同地質環境下的錨桿支護

(5)二次支護

在設計方案規劃中，設計人員需針對圍巖承受能力進行計算，綜合現場檢測的具體信息，合理調整錨桿支護方案，確保錨桿之間距離符合規劃需求，針對部分特殊區域制定對應的錨桿布置方案，同時跟隨對掘設備開展二次支護作業，隨之再進行迎頭支護平行作業，以此確保使支護強度和以及結構密度相互平衡。在實際作業過程中，操作人員還需針對迎頭支護平行作業和二次支護作業的位置以及進度進行合理規劃。必要時可采用小孔徑柔性錨桿提高二次支護的整體強度，切實提高整體支護方案的科學性。

2.煤巷錨桿支護快速掘進技術的影響因素

目前，在煤礦快速掘進過程中錨桿支護是現階段使用較為普遍的一類技術類型，對于提高煤礦企業的整體經濟效益具有顯著效果，但就實際而言，我國錨桿支護技術研究起步時間較短，與成熟國家仍有一定的差距，在實際使用過程中，技術人員需根據對應問題和缺陷開展針對性優化。從技術應用角度而言，影響煤巷錨桿支護快速掘進技術的因素通常集中在如下幾個方面。

(1)錨桿支護設計方法

在錨桿支護設計過程中，主要存在的缺陷集中在設計方案層面，設計方案的整體布局以及形式較為單一，在實踐過程中，常用的設計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境下的具體使用需求，工程類比法的問題主要集中在設計理念層面，多數技術人員的設計方案難以融合現今的設計理念，整體設計方案多由歷史設計經驗而來，因此有足夠的合理性和科學性，而在此環境下，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環境始終處于動態變化之中，因此設計方案過度重視理論分析結果，則可能導致設計方案缺乏實用價值。總的來說，技術人員在選定設計方案時應重視實際勘查數據的應用，傳統的設計方法難以適應目前的作業環境，不能很好地應用在煤礦快速掘進的過程當中。

(2)煤礦礦區地質條件方面

煤礦礦區地質環境的差異性可能導致具體支護方案應用過程出現技術性問題。眾所周知，煤礦礦區的地質環境通常較為復雜，因此在作業準備階段中，技術人員應根據煤礦快速掘進工作的周邊地質環境進行計算與分析，但就實際而言，多數企業在應用煤礦支護技術過程中并未針對周邊地質環境進行深入勘查測算，同時也忽視圍巖強度、圍巖結構、錨固性等數據的統計分析，進而導致后續作業過程中出現大量問題，在使用支護技術時存在大量的風險性因素，同時在缺少數據支持的環境下，技術人員就通常無法對錨桿支護方案制定對應的加固措施，因此錨桿的支護工作效果與預定規劃方案存在差距，牢固性較差，長此以往，就會導致頂板事故的發生。

(3)錨桿作業施工

在具體作業過程中，導致整體支護作業方案難以滿足實用需求的核心問題在于錨桿施工標準較差，難以滿足對應標準，因而后續實用過程中，難以應對周邊的地質活動情況，在部分復雜地形環境下時常出現錨桿固定失效問題，進而影響后續施工作業。

3.強化煤巷錨桿支護快速掘進技術的主要思路

(1)結合實際不斷優化設計方案以及對應參數

在實際設計過程中，技術人員應充分結合支護技術相關理論，結合地質勘查數據進行計算公式法和工程類比法的靈活應用，同時在實際應用過程中，技術人員應不斷進行周邊巖層數據的采集與分析，并結合分析結果制定對應的設計方案。另外，設計人員應結合支護作業班組的實際反饋情況對整體設計方案進行后續調整，以此確保整體設計方案具備科學性以及有效性。除此之外，在具體規劃方案制定期間，技術員應綜合歷史數據以及實際勘查設備收集的數據，合理規劃錨桿支護方案在快速掘進施工中的落實方案。

(2)開發新型的掘錨設備

一般情況下，多數煤礦企業在應用煤巷快速掘進進行作業時，通常采用固定皮帶機、頂錨機等傳統設備，以此完成對應的掘進以及支護操作。但此類方法的缺點在于作業周期相對較長，難以在短時間內完成對應任務，支護工作相對繁瑣，機掘速度相對較慢，不利于短周期項目。針對此類問題，技術人員應結合實際需求不斷引入信息化設備，通過采用一體化工作系統，將掘進與支護設備進行同步操作，以此提高整體設備的運作效率，實現掘進與支護的一體化作業。

(3)根據實際要求提高預緊力

錨桿組合梁是現階段支護的主要方式，其原理如下：通過提高組合梁的預緊力可大幅提高頂板內的巖層的整體結構穩定性，進而確保頂板巖梁可在拉應力下保持結構穩定。因此，在實際作業過程中，技術人員應結合項目頂板的具體壓力以及周邊巖層的應力測試數據，合理調整預緊力的設置極限，確保支護裝置的承壓極限遠高于頂部巖層的彎曲應力，以此維護整個礦道的結構穩定。

4.錨桿支護的設計及應用

錨桿支護設計是維持開采穩定的基礎，在規劃建設錨桿時，設計人員應嚴格遵守相關安裝作業施工標準。在具體型號選擇、方案規劃設計、鉆孔安裝深度等方面需綜合多項數據進行合理調整。

(1)錨桿選擇及支護方案

錨桿的具體方案類型十分豐富，結合受力形式、施工方案、錨桿構建、錨固方式等劃分，目前，在具體工作過程中主要根據作業形式以及結構差異進行區分。在結構角度，則可分為頂點與整體錨固兩類形式。根據煤礦工程的地質環境差異，以及現場設備以及人員布置差異，設計人員需不斷測算分析動態巖層應力數據，分析承壓極限數據，并根據使用周期合理規劃，結合施工要求合理挑選對應支護方案。錨桿支護布局方案千差萬別，根據不同的結構布局方案可滿足不同類型的礦道支護需求，因而在設計過程中設計人員可結合主觀部門需求以及實際地質環境對錨桿支護方案進行對應調整，使其滿足各階段開采支護需求。

圖2 錨桿鉆機

(2)錨桿參數設計

在井下深處作業時，多數巷道巖層頂部受采掘擾動影響而整體結構相對脆弱，隨著后續采掘工作的進行，可能出現大規模脫離問題。所以對于錨桿支護設計必須結合動態數據的具體范圍繼續綜合性考慮，應不斷采集對應數據信息，根據巖層的周期性變化以及擾動監測數據，合理制定快速掘進過程中的支護方案。首先根據巷道巖層勘查數據，合理優化設計方案，計算錨固力，并根據設計方案標定錨桿各個尺寸參數，合理規劃錨桿間距、排距。其次結合礦井巖層的動態監控數據，并綜合多類數據測算模型進行錨桿參數的精確測定。最后利用防真模擬對實際支護方案的效果進行判斷，驗證設計結果。

(3)錨桿的施工流程

在準備工作完畢后，操作員方可進行錨桿具體施工布置，在此過程中應結合目標區域的實際應力、拉力數據制定對應的錨固方案。另外，符合快速掘進標準規范的作業流程如下：標記點位→施工鉆孔→外表面處理→后續雜物清理→結構拉伸→腰梁施工。具體注意事項如下：①根據設計要求定位，確保對應工具及鉆孔方式符合作業標準。鉆孔時應滿足規劃方案的基本要求。②合理挑選對應尺寸錨桿開展班組施工作業，同時采用直立作業安裝，確保整體結構以及部件的穩固。在工序完成后，應對錨桿進行外部的處理，多采用特殊涂料以及漆料進行密封操作。③預先準備一定濃度的灌漿料，進行點位清理，隨后將孔內的多余灌漿料進行抽出。④安裝錨桿時，應采取結構拉伸方案，在一段鎖定對應錨具，并在預定位置進行整體拉伸，以此提高錨桿的安裝結構穩定性。

5.結束語

綜上所述，積極開展礦快速掘進技術中錨桿支護研究，有利于推動煤礦企業實現迅速發展，并快速占據市場地位，同時對整體煤炭行業的今后發展也起到積極的促進作用。在實際施工過程中，煤礦企業必須重視快速掘進技術中錨桿技術的發展，根據實際作業需求，不斷優化自身的整體技術水平，對不同環境的支護方案進行深度優化，同時企業應不斷吸收同行業的應用經驗，從而在底層技術架構層面實現快速掘進技術的優化與改善。