煤礦井下掘進過程中巷道錨桿支護的應用

徐楠楠，劉嵩

（山東華新建筑工程集團有限責任公司，山東 泰安 271219）

煤礦井下掘進作業是一項復雜、危險且關鍵地工程活動，巷道是連接采煤工作面與井口的通道，承擔著煤礦瓦斯抽放、通風、物資運輸等重要功能。煤礦井下掘進作業常常面臨地質條件復雜、巷道圍巖變形嚴重、瓦斯涌出等問題，給巷道的穩定性帶來了嚴峻挑戰。巷道錨桿支護作為一種常用的巷道支護技術，通過將錨桿固定在圍巖中，形成一個穩定的支護體系，可以有效地防止巷道圍巖的變形和塌落，進一步提升煤礦掘進與開采的安全性。

1 錨桿支護在巷道施工中的價值作用

巷道施工是煤礦開采的重要環節之一，而巷道的穩定性對于礦井的安全和高效運營至關重要。在巷道的掘進過程中，地質條件常常復雜多變，存在著地層變形、斷裂和巖層滑動等地質災害，對巷道的穩定性造成了威脅，甚至引發事故。而錨桿支護技術可以通過將錨桿固定在巖體中，增加巷道的承載能力和抗變形能力，有效地防止地質災害的發生，提高巷道的穩定性和安全性。同時，巷道施工需要進行大量的掘進作業，而錨桿支護可以提供牢固的支撐，減少巷道的變形和沉陷，保證施工的順利進行，利用錨桿支護可控制巷道的開挖面積，減少不必要的破壞，提高施工的質量和效率。此外，錨桿支護技術還具有良好的經濟效益和環境效益。相比傳統的巷道支護技術，錨桿支護技術具有施工周期短、材料消耗少、工程成本低等優點，不僅可以降低巷道施工的投資成本，還可以減少對環境的影響，實現巷道施工和礦井開采的可持續發展。

圖1 錨桿支護技術示意圖

2 掘進巷道錨桿支護技術選擇影響因素

2.1 斷面形式

隨著我國煤礦開采規模的持續擴大，煤炭企業的開采巷道斷面也在逐步增加。同時，由于大型機械設備在煤礦開采領域的廣泛應用，需要更寬廣的斷面進行煤炭運輸。在巷道斷面擴大的背景下，支護技術的應用也面臨著更高的要求，不僅需要耗費大量的施工時間和使用大量的支護材料，還需要根據掘進支護的具體情況選擇適當的支護方法和技術。例如，對于直徑較小的巷道，可以采用錨索技術進行支護，具有操作簡便、快速且節約成本等優點，能夠顯著提高巷道的穩定性和安全性。而對于較寬、較高的巷道，則可以采用鋼支架技術進行支護，具有強度高、穩定性好、承載能力強的特點，能夠有效地支撐和穩定巷道，確保煤炭運輸和生產的安全順利進行。

2.2 開采深度

隨著煤礦開采深度的不斷擴大，煤礦巷道的整體支護模式發生了巨大的變化。為了確保煤炭的安全生產和經濟效益，需要綜合考慮巷道圍巖的整體應力狀況，合理設計開采深度，并采用科學有效的支護技術。在開采深度持續增加的情況下，巷道所承受的地應力也隨之大幅提高。為了確保巷道的穩定性和安全性，需要采用更高強度、更具穩定性的錨桿類型支護技術，通過錨固作用提供足夠的支撐力，有效控制巷道變形和破壞，保證煤炭的安全生產和運輸。在選擇錨桿類型和長度時，需要充分考慮巷道圍巖特性和地質條件，不同的圍巖特性和地質條件對錨桿支護的要求也不同，根據實際情況選擇適宜的錨桿長度和安裝深度，以確保錨桿支護的效果和穩定性。此外，在項目作業現場施工過程中，還需要采取一系列措施保障錨桿支護的質量和穩定性。例如，及時排除巷道內的積水，避免積水對錨桿支護造成不利影響。同時，要加強現場管理和監督，確保錨桿安裝、固定等環節的質量和安全，最大程度地提升巷道施工的安全性和效率。

2.3 巷道圍巖完整度

圍巖的完整性對于提供穩定支撐力至關重要，可以有效防止巖層移動，并減少對錨桿的依賴程度。在巷道支護過程中，技術人員需要密切關注圍巖的完整度，以確保其不會發生垮落、坍塌以及內部裂紋等情況。如果圍巖存在受損或不夠完整的情況，會導致巷道的應力集中在錨桿上，從而增加錨桿失效的風險，技術人員需要根據巷道圍巖的具體情況，選擇適合的錨桿類型和安裝方式。例如，可以選擇具有特殊性能的錨桿，如抗剪切能力強、承載能力大的錨桿，以增強圍巖的支撐力和穩定性。同時，還可以采用預應力錨桿技術，通過施加預應力來增強錨桿的錨固效果，進一步提高圍巖的穩定性和安全性。此外，在安裝錨桿時，技術人員需要注意確保錨桿的安裝質量。例如，要確保錨桿的錨固深度和角度符合設計要求，以確保錨桿能夠充分發揮其支撐作用，還需要加強施工現場的監督和管理，確保錨桿安裝過程的安全性和質量。

2.4 支護參數

錨桿支護是煤礦井下安全掘進的關鍵措施之一，能夠顯著提高巷道的穩定性和安全性。為確保錨桿支護的有效性和安全性，施工技術人員需要深入理解錨桿支護的技術特征，并且根據煤礦巷道圍巖結構的實際情況，合理調整錨桿支護的設計方案。根據煤礦巷道圍巖結構的特性和地質條件，選擇適宜的錨桿直徑和長度能夠提高錨桿的錨固力和穩定性，進而增強巷道的支撐能力，技術人員需要根據實際需求和地質勘測數據，合理選取錨桿直徑和長度。數值模擬是一種有效的技術手段，可以對巖層力學參數和錨桿力學模型進行系統分析，進一步確定巷道的受力狀態，幫助技術人員更好地了解巷道的受力狀態和錨桿的力學行為，并為優化巷道錨桿支護設計提供重要的參考依據。

錨桿支護驗算：頂板壓力公式：

式中，A所代表的是一般巷道跨度；F所代表的是巖石硬度系數；Y所代表的是頂板巖石平均容重。

錨桿長度計算：結合懸吊理論進行錨桿參數計算：

式中，L所代表的是錨桿總長度；H所代表的是自然平衡拱高度；K所代表的是安全系數；L1所代表的是錨桿在穩定巖層中的錨入深度；L2所代表的是巷道外錨桿外露長度。

3 煤礦井下掘進過程中巷道錨桿支護的實踐應用

3.1 工程概述

在開采作業面設計中，規劃巷道的長度為615m，選用具有優秀的切割和挖掘性能的EBZ-260B型掘進機，繼而高效地完成復雜的巷道作業。在巷道的施工過程中，我們采用臨時支護方式絲杠前探梁，以確保作業面的穩定性和安全性，有效地支撐巷道頂部，防止巖石掉落，為作業人員提供一個相對安全的工作環境；永久支護方面選用錨桿支護技術，有效地加固巷道，提高其承載能力，確保巷道的長期穩定性和安全性。

巷道的斷面設計采用矩形的形狀，寬度為4.5m，高度為2.8m。這種設計能夠滿足巷道內設備安裝和運輸的需求，同時也考慮了通風和排水的要求，在0～27.7米的范圍內，巷道的寬度將暫時擴大至5.5m，以滿足特殊施工需求。

3.2 支護設計

3.2.1 頂板錨桿支護參數

在案例工程中，巷道頂板支護階段采用了“錨索+金屬網+錨桿+鋼筋帶”聯合支護方式。這種聯合支護方式能夠有效地提高巷道的穩定性和安全性，降低頂板破損的風險。

錨桿采用的是φ18mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度為2200mm。這種錨桿具有較好的抗拉性能和錨固力，能夠有效地將巷道頂板與圍巖連接起來，提高頂板的穩定性。錨桿布置的間距為1100mm和1200mm，這樣的布置能夠保證每個錨桿都能發揮其作用，達到最佳的支護效果。

為了實現金屬網與頂錨桿的聯合應用，錨桿扭矩需要高于120N·m。通過將兩層金屬網應用至頂板發生破碎的區域，能夠增強該區域的支撐能力，防止破碎頂板掉落，保證作業安全。針對5.5m寬度巷道和4.5m寬度巷道，采用不同規格的錨桿。6000mm的φ17.8mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿被應用在其中，這種錨桿具有較好的抗拉性能和錨固力，能夠滿足不同寬度巷道的支護需求。錨桿布置的間距為2000mm和1500mm，排距布置為3600mm，這樣的布置能夠保證每個錨桿都能發揮其作用，達到最佳的支護效果。

3.2.2 兩幫錨桿支護參數

在巷道支護設計中，選用φ18mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿作為頂錨桿，長度為1700mm，這種錨桿具有優秀的抗拉性能和錨固力，能夠有效地將巷道頂板與圍巖連接起來，提高頂板的穩定性。同時，采用φ4mm的冷絲金屬網作為金屬網，其網絡尺寸被設計為40mm×40mm，這種金屬網具有較好的韌性和抗拉性能，能夠有效地增強巷道頂板的支撐能力，防止巖石掉落，保證作業安全。此外，針對兩幫的錨桿設置1000mm的間距和1200mm的排距，保證每個錨桿都能發揮其作用，繼而達到最佳的支護效果。

3.3 掘進支護注意事項

3.3.1 有效控制錨桿扭矩力

在煤礦開采深度不斷加深的背景下，礦井的深度已經達到了千米級別，在這樣的開采深度下，巷道圍巖的穩定性面臨著更高的要求。由于地層壓力和開采擾動的影響，巷道圍巖容易出現離層的情況，給巷道的支護帶來了極大的挑戰。在進行巷道支護的過程中，對錨桿扭矩力的控制顯得尤為重要。錨桿作為支護結構的重要組成部分，需要具備抵抗離層沖擊力和應力的能力，以避免巷道圍巖出現斷裂的現象，施工技術人員需要盡可能地保證錨桿扭矩的合理性，將數值控制在300～400N·m的范圍以內。當錨桿的扭矩力在這個范圍內時，錨桿能夠更好地與圍巖緊密結合，形成穩定可靠的支護結構，提高巷道的整體穩定性，有效地減少圍巖離層的發生，保證煤礦的安全生產。

3.3.2 提升錨桿受力合理性

在煤礦井下掘進過程中，巷道錨桿的受力合理性對于其穩定性和安全性至關重要。當錨桿受力超出其自身的抗拉強度時，將直接影響錨桿的穩定性，可能會導致錨桿出現不同程度的斷裂問題，甚至會引發多種安全隱患。

設計應用托盤和螺母間配套的球形讓壓管，讓壓管在系統受到較強荷載作用下具有自適應能力，能夠依托自身形變來增加錨桿延伸率，從而有效地防止巷道內出現錨桿斷裂問題。同時，這種球形讓壓管的設計能夠有效地吸收和分散錨桿所受到的應力，避免錨桿出現斷裂等問題，提高錨桿的穩定性以及受力合理性，使得巷道內的支護更加可靠和安全。

3.3.3 強化掘進技術施工管理

在進行煤礦井下掘進施工時，為了確保巷道錨桿支護的質量，施工管理人員必須嚴格監督施工過程。一旦發現施工現場存在施工問題，應立即制止使用人員，以避免錨桿支護出現問題，從而影響井下巖土層的穩定性。此外，在井下掘進作業中，如果突發事故情況，施工管理人員需要及時采取相應的緊急措施，安撫作業人員的緊張情緒，確保井下掘進作業能夠有效地進行。

4 結語

總之，煤礦井下掘進過程中，巷道錨桿支護能夠有效地提高巷道的穩定性和安全性，減少事故發生的風險，不僅可以推動煤礦井下安全生產的進一步提升，還能夠為煤礦的安全生產做出更大的貢獻。