煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工技術研究

摘 要：為提高煤礦掘進巷道的安全性，本文對煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工技術進行研究。根據煤礦巷道煤柱留設寬度的計算結果，完成煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護鉆孔定位，使用噴射設備將混凝土料均勻地噴射到錨桿孔內和巷道頂板上，完成煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工。測試結果表明，在煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工方案下，總體兩幫變形量最大值為387mm，頂底板變形量最大值為281mm，皆小于工程要求閾值，證明煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工技術可以形成有效的三向作用應力，改變圍巖的受力狀況，提高巖體的整體承載能力。

關鍵詞：煤礦；掘進巷道；復合頂板；錨桿支護

中圖分類號：TD 353 " " " 文獻標志碼：A

隨著煤礦開采技術的不斷發展和煤炭需求的日益增長，煤礦掘進巷道的穩定性和安全性問題日益凸顯[1]。在煤礦掘進過程中，巷道頂板作為關鍵支撐結構，其穩定性和可靠性直接影響礦工的生命安全和煤礦狀態。在復合頂板條件下，由于煤層強度低、頂板容易發生冒落等現象，使巷道掘進和支護問題面臨嚴峻挑戰。因此，很多學者對煤礦掘進巷道保護問題進行了研究。文獻[2]中使用型鋼支護技術對煤礦掘進巷道復合頂板進行了支護施工，型鋼支護結構具有較高的強度和穩定性，能夠承受較大的荷載。但與其他支護材料相比，型鋼的成本較高。文獻[3]則使用錨索支護對煤礦掘進巷道復合頂板進行了支護施工，該方法具有較大的錨固深度和承載能力，將頂板與巖層緊密連接，提供強大的支撐力，保證巷道的穩定性和保障安全性。但錨索支護在后期維護過程中會產生錨索銹蝕、松動等問題。

針對以上問題，本文用錨桿將不穩定的頂板巖層或可能掉落的巖層懸吊在堅固的老巖層上，可以有效地防止頂板冒落和巷道坍塌，加固已經松動的巖層，提高頂板巖層的抗彎強度，從而保證巷道的穩定性和保障安全性。

1 實例分析

1.1 工程概況

以某煤礦二采區的一條重要運輸巷道為例，該巷道位于煤層埋藏較深的區域，頂板為復合頂板結構，巖石破碎且穩定性差[4]。在掘進過程中，巷道頂板出現了不同程度冒落和變形，嚴重影響了巷道的正常使用和煤礦的安全生產。為了解決這個問題，該煤礦決定采用錨桿支護技術對復合頂板進行支護施工。

研究對該區地質進行了分析，此地區標高為-586.3m～-501.8m，煤層的賦存穩定，多為黑色塊狀煤體煤炭，整體呈現玻璃光澤，偶有粉末狀煤炭。由于煤層結構簡單，預計掘進工作面的煤層正常平均傾斜角為6°，平均厚度為5.2m，繪制煤層底板柱狀圖如圖1所示。

1.2 煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工方法設計

1.2.1 計算煤礦巷道煤柱留設寬度

在煤礦掘進巷道工作面回采的過程中，為了保證其巖塊相互鉸接，結構穩定，在復合頂板錨桿支護施工前，需要對煤礦巷道煤柱留設寬度進行計算，為后續支護定位提供數據支撐[5]。以巖塊的斷裂位置為劃分依據，將煤柱上方的區域分為低應力和高應力兩個區域[6]，獲取低應力區的寬度。煤柱寬度與巷道寬度之和應小于低地應力區寬度，否則在礦壓顯現作用下極易發生危險。因此須根據低應力區的寬度估算煤柱寬度最小的閾值。然而，除了上述數據的影響外，煤柱寬度還受到柱的強度、巷道圍巖的穩定性等因素影響[7]，因此，在計算煤礦巷道煤柱留設寬度的過程中，需要根據極限平衡理論，將錨桿的有效長度、上區段工作面開采在煤柱中產生的塑性破壞區寬度等因素和上述數據相結合，以此完成煤柱寬度計算。

1.2.2 定位煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護鉆孔

當對煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護進行鉆孔定位時，需要對地勘資料以及現場情況進行細致分析，確定地下水位高度、煤礦掘進巷道巖質巖層以及各個方向應力情況。根據設計規范，結合煤礦掘進巷道的巖層粘結強度，計算錨桿的錨固段長度。

根據錨固段長度計算錨桿預應力鋼截面面積，使用全站儀進行測量放線，并將結果標定在巷道內。為使每個復合頂板的錨桿支護鉆孔在穩定區域，規避不穩定風險，需要根據已標定的煤柱寬度和巷道輪廓線，對每個擬定的錨桿孔位進行仔細分析和評估。

如果某個鉆孔的位置在評估的不穩定區域內，那么就需要根據地質條件、圍巖穩定性以及錨桿支護方案等綜合因素對此處進行鉆孔定位[8]，重新進行計算和調整。當重新定位時，需要保證新的鉆孔位置既能滿足支護需求，又能有效規避不穩定風險。在重新定位計算后，必須多次使用全站儀對新的鉆孔位置進行測量對比，完成復核工作，以此保證所有新的鉆孔位置都準確無誤。

當所有錨桿支護鉆孔的定位都經過重新計算和復核，并全部符合安全規范后，根據錨桿支護方案，沿已標定的基準線，使用鋼尺、測繩等工具測量并精確標定每個錨桿孔的具體位置。

1.2.3 鉆進安裝錨桿

在煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護鉆進施工中，需要根據確定的煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護鉆孔定位進行施工。施工前需要對錨桿鉆進工作設備進行準備，具體設備參數見表1。

在確定孔的排布且鉆機的鉆進角度調整妥當后，即可根據設計要求進行錨桿鉆進。在保證鉆機已經穩定地放置在工作臺上，且電源和液壓系統已經正確接通后，技術人員需要將鉆頭對準預設的鉆孔位置，保持0.5m/min的均勻鉆進速度和60r/min的轉速向前鉆進。在鉆孔過程中，需要保持鉆機穩定，避免超深鉆孔或鉆孔偏斜。同時，要不斷地清理孔內的泥土和巖屑，保持孔內清潔，防止孔壁塌方。當鉆頭鉆進到設計位置時，開始進行反方向旋轉。在這個過程中，葉片逆時針旋轉時受到土體的阻力而張開，隨著鉆頭退出，同時進行清孔工作。使用空氣將孔內的殘渣和泥水漿清理干凈，保證孔內無雜物。在清孔完畢后，可以開始注漿作業。根據設計要求，將注漿材料充分攪拌后倒入孔內。在注漿過程中，要保證注漿量均勻，不產生氣泡，同時需要注意注漿速度和壓力控制，保證注漿質量。

在注漿結束后，需要將預先準備好的金屬錨桿垂直插入孔內，保證錨桿與孔壁緊密貼合，實時監測錨桿的變形和應力情況，保證錨桿的穩定性。同時使用專用的張拉設備對錨桿施加預壓力，實時監測錨桿的變形和應力情況，保證張拉效果符合要求。在滿足上述條件后，等待一定的時間再進行固化，使錨桿與圍巖充分結合。

1.2.4 拌制噴射混凝土料

在安裝固化錨桿工作結束后，需要重新拌制混凝土料，并進行噴射，使噴射混凝土與受噴面緊密貼合，形成一層強有力的保護層，為受噴表面提供抗力，從而形成三向受力的有力狀態。此處的混凝土不能直接使用上文的注漿混凝土，需要按照一定的配合比重新進行配置，三次噴射的混凝土料配合比見表2，要保證拌制噴射混凝土料的摩擦應力，使煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護效果達標。

由于施工條件限制，調配好的噴射混凝土料無法長期存放[9]。因此為了保證混凝土在噴射過程中的性能，需要加入適量的速凝劑。在拌制混凝土料結束后，需要對巷道斷面的和巖壁的平整度和穩定性進行檢查修整，保證混凝土能夠緊密地附著在巖壁上。噴射混凝土時必須對巷道斷面的和巖層的平整度和可靠性進行檢查和修理，保證水泥可以牢固地粘貼在巖層表面。在噴灑水泥前必須預先控制風力和水量，保證平均風壓始終不小于0.4MPa，沖刷巖面時應遵循自上而下的順序。初次噴灑的水泥要把噴灑后的厚度控制在3000mm以內，在保證供電平穩的條件下，啟動噴漿施工機械、上料、噴漿，沖孔后還須根據情況詳細調節風力和水量，保證噴面不產生干斑和滲透情況。對巖面存在明顯凹陷的位置來說，需要優先噴射填平。噴層完成后，應對其質量進行嚴格檢查，避免出現漏網、干裂脫皮等質量問題。同時，為保證混凝土的強度和耐久性，養護工作也至關重要。在養護期間，須由專人每天進行灑水養護，養護周期應達到28天以上。

2 試驗

2.1 錨桿支護施工材料及參數

根據地質條件以及煤礦掘進巷道復合頂板支撐需求，本文進行了煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工。錨桿支護施工選擇的材料見表3。

在施工完成后，隨機抽取5個觀察點，對圍巖位移量進行觀測統計，5個觀測點要求覆蓋全部的支護位置。同時抽取最中間的觀測點，對其位移變形觀測6個月。

2.2 支護施工結果分析

根據觀察巷道周邊圍巖未出現拉破壞單元，將5個觀察點的圍巖位移量觀測結果進行統計記錄，見表4。

根據表4可知，本工程在煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工方案下，總體兩幫變形量最大值為387mm，頂底板變形量最大值為281mm，均小于工程要求的兩幫變形量最大值400mm和頂底板變形量最大值300mm。

繪制最中間的觀測點6個月的位移變形曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在挖掘進度強烈影響期的1個月后，中心觀察點的圍巖位移量逐漸趨于平穩，頂板月平均下沉量為20mm，符合工程需求，其余非采煤幫變形量、采煤幫變形量和底板底鼓量也可以保持在工程安全需求范圍內。證明應用本文的煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工技術在煤巷頂板上安置錨桿，可以減少頂板之間的跨度和頂板的下沉力，利用錨桿的抗剪切能力，可以阻止圍巖進一步離層，防止巖層產生更大的相對位移，提高頂板巖層的穩固性。同時，由于錨桿支護所需要的金屬材料價格相對較低，因此可以降低支護材料的成本，為煤礦的安全生產提供有力保障。

3 結語

在煤礦掘進巷道復合頂板錨桿支護施工技術的研究中，通過大量實踐應用和數據分析，證明錨桿支護技術不僅能夠有效地控制巷道圍巖的變形問題，保障煤礦的安全生產，同時還能夠根據不同情況進行定制設計，以極高的靈活性和適應性優勢降低支護成本，提高施工效率，降低工人的勞動強度。隨著科技的發展，新型高強度、耐腐蝕材料的研究與應用將成為未來錨桿支護技術發展的重要方向。應用新型材料可以提高錨桿支護結構的承載能力、延長使用壽命、減少維護費用，提高煤礦生產的經濟效益。

參考文獻

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