關(guān)于煤礦巷道錨桿支護(hù)的研究與應(yīng)用

李皎

【摘 要】煤炭作為傳統(tǒng)的能源，在資源結(jié)構(gòu)中依然占據(jù)著主導(dǎo)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(kāi)采的策略，在此過(guò)程中，需要解決地質(zhì)條件惡化、地應(yīng)力增大等問(wèn)題，對(duì)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。本文分析了影響煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵性因素，并在此基礎(chǔ)上提出了闡述了煤礦巷道支護(hù)技術(shù)在極軟巖巷道以及深部沿空留巷中的實(shí)際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】煤礦巷道；支護(hù)；應(yīng)用

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)煤礦礦井的深度不斷增加，截止目前為止，開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)1000米。我國(guó)煤礦的主要開(kāi)采形式是井工開(kāi)采，這就要求在作業(yè)過(guò)程中掘進(jìn)大量的巷道。因此，采取有效的巷道支護(hù)技術(shù)是當(dāng)下煤礦開(kāi)采過(guò)程中的重要舉措，不僅可以提高生產(chǎn)效率，也是人員安全的重要保障。

1 煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的形式

1.1 砌碹支護(hù)

砌碹支護(hù)技術(shù)較為傳統(tǒng)，是一種古老的支護(hù)方式。目前在大巷中仍然可以見(jiàn)到它的跡象。根據(jù)時(shí)代的不同，砌碹支護(hù)材料也發(fā)生了一定的變化，從最初的料石以及混凝土砌塊發(fā)展為現(xiàn)今的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)。但是，總體上來(lái)說(shuō)，砌碹支護(hù)的支護(hù)成本較高，經(jīng)濟(jì)上不合理，而且其澆筑過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，影響正常的施工進(jìn)度，在圍巖變形較大的地區(qū)不適用。

1.2 棚式支架

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

1.3 錨噴支護(hù)

錨噴支護(hù)的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代，最初是在巖巷中采用，發(fā)展至今，其技術(shù)初步成熟。噴射技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以快速封鎖巷道，多見(jiàn)于突發(fā)情況的應(yīng)用，如雨水量較大時(shí)可以采取該種方法，以減少水對(duì)圍巖的不良影響。錨固的桿件可及時(shí)支護(hù)圍巖，起到了良好的加固作用。

1.4 注漿加固

對(duì)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(shí)，注漿支護(hù)加固不失為一種好的方式。注漿支護(hù)的優(yōu)勢(shì)在于可以將破碎的巖體粘結(jié)起來(lái)，起到了混凝土的作用，其強(qiáng)度大大增加，不僅利用了材料，而且效果客觀。巖體粘結(jié)后，由于其整體結(jié)構(gòu)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(jù)巷道的地質(zhì)條件來(lái)選擇。

2 煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵性影響因素分析

對(duì)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(hù)，做好裂縫的防護(hù)措施，確保施工的正常進(jìn)行。巷道除了具備運(yùn)輸?shù)墓δ芡猓€需要有良好的通風(fēng)條件，以保持礦井工作人員的安全。良好的通風(fēng)還有利于緩解底部的潮濕，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

2.1 巷道圍巖的強(qiáng)度

隨著施工的掘進(jìn)，圍巖會(huì)發(fā)生不同程度的變形，尤其是軟土地帶表現(xiàn)得更加明顯，變形超過(guò)某一限定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破壞。隨著圍巖強(qiáng)度的增加，抗壓以及抗剪能力加強(qiáng)，當(dāng)圍巖的強(qiáng)度達(dá)到極限時(shí)，頂部板的移動(dòng)隨之變小，我們稱之為移近率。此時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)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(yīng)力

地應(yīng)力主要由兩個(gè)因素引起，包括自重以及地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的應(yīng)力。地應(yīng)力是破壞巷道圍巖的直接影響因素，在支護(hù)設(shè)計(jì)中有必要作為重點(diǎn)對(duì)象考慮。根據(jù)力學(xué)的性質(zhì)，自重所產(chǎn)生的應(yīng)力和巷道深度有關(guān)，地下掘進(jìn)深度越深，那么地應(yīng)力就越大，這和海底中產(chǎn)生的壓強(qiáng)是相似的。

3 煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 錨桿支護(hù)頂板穩(wěn)定性分析模型

根據(jù)頂板所受預(yù)應(yīng)力的類型，建立如下圖所示的模型，為理想狀態(tài)：

（a） （b） （c）

圖1

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

當(dāng)錨固處于平衡狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)如圖（b）所示，可利用松弛法求解，具體計(jì)算步驟為：

首先假定側(cè)向荷載分布的深度為n0D， 則拱座內(nèi)力和半跨度內(nèi)力的初始力臂為：

Z0 = D（1-■n0） （1）

最大水平應(yīng)力：R1max=■ （2）

平均水平應(yīng)力：R1=■R1max（■+■） （3）

拱的弧長(zhǎng)：L = B+■ （4）

拱的彈性縮短：△L =■L （5）

拱的高度及力臂：Z=（■（■-△L）） （6）

側(cè)向荷載深度比：n=■（1-■） （7）

在計(jì)算過(guò)程中，將Z0，n0 代入（2） 中的Z，n，根據(jù)式（2）-（7）順序計(jì)算R1max，R1，L，△L，Z和n。每個(gè)計(jì)算循環(huán)得到一個(gè)新的Z，n值，然后將它重新代入公式（2），開(kāi)始新的循環(huán)，重復(fù)求解序列，直到獲得最大水平應(yīng)力R1max和側(cè)向荷載深度比n的穩(wěn)定值RT和nT。

3.2 煤礦巷道支護(hù)技術(shù)在極軟巖巷道中應(yīng)用分析

軟土層的主要形式是壓縮性能強(qiáng)，土壤靈敏度極高，但是透水性很差。結(jié)合我國(guó)地質(zhì)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(yáng)湖四周地區(qū)，長(zhǎng)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(xiàn)象，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)造成了一定的難度，其中就包括煤礦巷道掘進(jìn)。在軟土地帶，和正常地帶相比，煤巖體存在強(qiáng)度破壞、內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散等現(xiàn)象，且煤巖體在保存（下轉(zhuǎn)第33頁(yè)）（上接第89頁(yè)）不當(dāng)?shù)那闆r下還會(huì)出現(xiàn)易風(fēng)化、遇水發(fā)生膨脹的現(xiàn)象，這對(duì)軟巖礦井中的巷道支護(hù)提出了更高的要求。針對(duì)膨脹性較強(qiáng)的煤巖，采取掘進(jìn)斷面的形式，并且利用幾何知識(shí)，促使斷面呈現(xiàn)出直強(qiáng)半圓拱形。巷道設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力要尤其注意，建議采用高強(qiáng)度樹(shù)脂進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的錨固。

3.3 煤礦巷道支護(hù)技術(shù)在深部沿空留巷中的應(yīng)用分析

深部沿空留巷中的頂板極易產(chǎn)生變形，煤幫擠出現(xiàn)象嚴(yán)重。為了進(jìn)一步加固深部沿空留巷，深部沿空留巷的支護(hù)離不開(kāi)巖體活動(dòng)規(guī)律、周圍巖體與支護(hù)的作用關(guān)系以及巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)以及加強(qiáng)支護(hù)等問(wèn)題。巖體活動(dòng)規(guī)律主要是解決巖體作用的相互關(guān)系，根據(jù)頂板的活動(dòng)特點(diǎn)，將其分為前期活動(dòng)、過(guò)渡期活動(dòng)以及后期活動(dòng)等三個(gè)階段，分別計(jì)算出阻力，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，并且在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用于沿空留巷的支護(hù)；巷旁支護(hù)是采用高水材料和膏體材料相結(jié)合的方式，利用機(jī)械填充加固，此外，還可以采取錨索加強(qiáng)支護(hù)的方式；巷內(nèi)支護(hù)的形式較多，有工字鋼、U形鋼以及聯(lián)合支護(hù)都能夠，隨著技術(shù)的發(fā)展，高預(yù)應(yīng)力的支護(hù)系統(tǒng)得到了良好的推廣和應(yīng)用。

4 小結(jié)

煤礦巷道在開(kāi)采的過(guò)程中，實(shí)際情況遠(yuǎn)比理論要復(fù)雜得多，折舊要求我們?cè)谡莆绽碚撝R(shí)的同時(shí)，在礦井掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)巷道的實(shí)際情況，采取經(jīng)濟(jì)合理的措施對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)并且加固。此外，隨著掘進(jìn)深度和長(zhǎng)度的增加，地應(yīng)力不斷加大，折舊要求相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合工程實(shí)況來(lái)匹配正確的支護(hù)參數(shù)，包括支護(hù)錨固的數(shù)量以及規(guī)格等。在有必要的前提下，還需要更改支護(hù)方式，以此來(lái)確保掘進(jìn)過(guò)程中的安全問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]單智勇.煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)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(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究理論及當(dāng)前研究重點(diǎn)[J].煤礦開(kāi)采，2012（06）.

[責(zé)任編輯：丁艷]