厚煤層沿空留巷協同錨固主動支護技術的應用研究

摘要：基于協同錨固技術和主動支護方法，專門對厚煤層沿空留巷工程的具體特性進行深入探討。全面審視了協同錨固的理論和方法，以及主動支護技術的原則和優點。這項研究具有深遠的意義，在提高厚煤層沿空留巷的安全性和效率方面起著重要的推動作用。

關鍵詞：厚煤層;沿空留巷;協同錨固;主動支護;穩定性控制

1研究背景及意義

隨著煤礦開采深度的逐漸增加，沿空留巷這種支護手段在厚煤層開采過程中變得越來越常見。然而，這種做法也相應地引發了多項安全風險和實際工程難題。因此，對厚煤層沿空留巷使用的協同錨固主動支撐技術進行深度探索具有不可或缺的價值。通過研究高效的支撐設計和穩定性管理技巧，不僅能增強礦井作業面的穩定性和安全，同時也能優化煤礦的生產效率，并大幅降低事故風險，這對于煤炭行業的長期發展有著顯著的促進效果。

2協同錨固與主動支護技術概述

2.1協同錨固理論與方法

基于協同作用的原理，協同錨固的理論和方法，融合圍巖錨固、支撐以及圍巖承載結構的理論，其主要目的是改進巷道圍巖的錨固系統。此方法主要聚焦于深處隧道中不同規模和層次的控制變量之間的相互競爭和協同作業。通過對幾何、物理、力學、結構及發展參數的細致設計和調整，可以優化圍巖錨定結構的應力，減少應力的集中和形變，并大幅度提升總體的承載和穩定性。

2.2主動支護技術的原理與優勢

基于預應力法則的主動支護技術，是通過對巷道圍巖實施預應力來提高其穩定程度。其核心思想在于對周邊圍巖的柵極控制，使支撐結構在安裝之后迅速施加支護力，并提前參與到圍巖的變化和破損中，進一步防止或避免圍巖發生形變和破壞。主動支護技術提供了實時的支護力監控和調整機制，能夠對巷道圍巖進行動態的監控與管理。相對于傳統的被動式支護方法，這種技術有明顯的優點：它不僅能有效地避免圍巖的大規模變形，減少維護的需求，還能增強巷道的整體穩定性和持久性。另外，這種主動支護方法能根據圍巖狀態的變動作出適應性的調節，大幅度提升支護的效率，減少資源浪費和施工開銷，達到高效、經濟和安全的支護效果［1］。

2.3協同錨固與主動支護的結合應用

融合協同錨固技術和主動支護策略，是為優化錨固方法并最大限度地發揮其作用，從而有效解決深部巷道圍巖的穩定問題，并達到安全目的。通過合理化和最優化確定錨桿（索）的具體參數與材料比例，減少人為干預，實現財務目標。這種合作不只增強了錨固的效果，同時還提高了通道的掘進和控制速度，達到了高效目標。協同控制與傳統的支護方法有明顯區別，它不僅注重子系統間的整體協同與合作，而且也重視子系統內部的細節調整和優化，更符合巷道圍巖穩定性管理的基本準則，有助于達到整體目標。更具體地說，通過系統內部以及各子系統之間的合作與協同，實現了整個錨固系統在更高層面上呈現“1+1gt;2”的特性，有利于促進煤礦的安全生產，提高經濟效益和工作效率。

3厚煤層沿空留巷錨固與支護設計

3.1錨固巖體結構轉化效應

在進行深層礦道挖掘后，圍巖一般被劃分為3大類：破裂區域（也稱為松動圈）、塑性區域和彈性區域，與此相對應的巖石構造依次為破裂結構、相對更完備的結構及完全的結構。通過錨桿或錨索的綜合控制功能，破裂的結構有可能逐漸演變為更為完善的整體，或者說是完全的結構。這一結構性轉變不僅明顯提高了錨固巖體的整體性和一致性，而且進一步強化了巖石結構的承載力和對抗變形與損壞的能力。在這種合作作用的推動下，錨固巖體中的破裂面效應逐步削弱，使得巖體的機械性質逐步變得穩定。

3.2錨固巖體變形抑制與協同效應

錨固巖石的形變調控包括巖體自身以及錨固材料的形變，這兩個方面協同作用能夠形成一個有效抑制整體形變的綜合效果。通常，巖石的變形會嚴重影響其所在的位置和外形。錨桿或錨索所展現的協作控制功能，一方面可以顯著地限制錨固巖體中的結構性變化，并通過錨固功能，使得挖掘后的巷道圍巖的形變從主要受結構面的影響轉變為主要受到巖石結構的控制。錨固不僅僅局限于錨固區的圍巖，而且對附近的非錨固圍巖也具有某些約束效果，這種特性使得巷道圍巖的全面變形得到了有效控制。這項控制措施有效地縮小了圍巖的變形范圍，增強了巷道的穩固度。

深層通道具有強烈的流變性，這種錨定的巖石體結構的抗變形能力使其具備柔軟控制特性，能夠適應由高強度應力引發的持續流變現象。錨桿（索）所展示出的主動和靈活錨固功能，能夠根據圍巖的變化狀況進行靈活調整，顯示出與其形變過程高度協調的特性。這一動態控制系統不僅能夠高效地減小圍巖的形變，而且還具備適應這種形變的特性，進而使錨固系統在深部巷道內展現出良好的適應能力和穩定性。對比傳統的金屬支架技術，很難產生這樣的優勢，它們無法有效地管理圍巖的強烈流變和大幅度的形變特性［2］。

4沿空留巷的動態承載與穩定性控制

4.1動態承載效應分析

在進行深部巷道開鑿后，因為高應力的影響和多樣的地質狀況，圍巖的控制過程成為一種高度復雜、具有動態性和不確定性的現象。盡管錨桿和錨索能通過協同控制生成有效的組合梁或拱結構，從而實現錨固材料與巖體的聯合作用，但這種過程仍然具有顯著的“動態”性質。巷道圍巖錨固系統的動態承載力實際上是該系統結構轉變的內在驅動力，并隨著系統自身的成長和進化而得到體現。本研究通過探討錨桿（索）的預緊力、密度、長度和角度等支護參數之間的相互作用，揭露了支護系統穩定性所受到的作用。科學研究指出，只要支護變量在內部及其間達到一定的協作標準，支護系統便能展現出顯著的合作效能和交互影響，進一步優化了該系統的整體性能表現。

詳細來說，當錨桿預應力處于80～100 kN范圍，錨索預應力在160～200 kN范圍內時，所觀察到的支護巖體的最小主應力的重疊區域分布非常均勻，從而形成了滿足巷道圍巖穩定需求的加固區域。過度增加錨桿（索）的預應力有可能對結果產生不良的影響。在保持預緊力的協同工作條件下，當錨桿（索）的各種支護變量（如密度、長度、角度）達到一定的協同關系時，它們在整個支護巖體中能形成連續且均勻的加固區域，這將有效提高支護巖體的整體強度和承載力。當錨桿與錨索同時施加力量，它們在預緊力、構造、形變、支撐時機、強度、硬度和力學特性等關鍵領域展現出了明顯的協同效應。

4.2加固錨索（梁）設計方案

為了在切頂過程及周期來壓階段維持巷道的穩定，在預先進行切頂前，選擇使用錨索（梁）來強化巷道的頂部結構。詳細的設計規格包括：錨索的直徑為21.6 mm，其長度達到10 200 mm，預應力為40 MPa，恒定阻塞器的尺寸是長500 mm、外徑73 mm，最大可接受變形量是350 mm，恒阻值是33±2時t，托盤大小為150×150 mm。在巷道的中心線，向開采側稍微偏移了1 900 mm，安裝了一行錨索梁，每根錨索之間的距離都是800 mm，并在每一根錨索的底部額外加設了一個250×250 mm的鐵制托盤。除此之外，在巷道的中心線處向回收方向偏向1 400 mm布置了一列口徑為21.6×10 200 mm的點錨索，這些錨索之間的間隔是1 600 mm，并且配備了一個400×400 mm的錨索托托架;在同一個地點，又放置一組28.6×11 300 mm的點錨索，這些錨索之間的距離為1 600 mm。與前一種錨索交錯放置，并配備400×400 mm與250×250 mm的錨索托托盤。通過這種布局設計，可以加強頂板的穩固性，并提升其承受力和抗形變性能。如圖1所示：

4.3綜合穩定性控制策略

在深處巷道的圍巖穩定控制過程中，全面穩定的控制策略綜合考慮了主動支撐技術、協調的錨固方法和整體支護設計，目的是確保巷道在高應力及復雜地質環境下維持其安全和穩定。采用主動支持的技術，通過錨桿與錨索之間的緊密合作，成功提升了圍巖的整體穩定性和承受能力，促使破裂的結構向更加完整的形態轉變，顯著增強了圍巖的防變形與防破壞性能。在此同時，錨桿與錨索的變形的調控與和諧作用，使得在巷道圍巖出現嚴重變形時可以給予柔和的管理，適應由高應力導致的連續流動，有效地控制圍巖變化并與之協調，實現了這兩方面的效益。

5結語

經過采用綜合穩定性控制手段，深處巷道的圍巖穩定性得到了顯著的增強，確保了巷道的持續運作和安全生產。這套綜合性的控制策略不僅從理論角度得到了全面的檢驗，而且在實踐中也顯示出顯著的效益，為深層礦井的工程安全以及其可持續性提供了有力的支持。

參考文獻：

［1］錢志良，楊宏偉，高宏.變厚煤層沿空留巷支護技術［J］.煤礦安全，2019，50（7）：124129.

［2］支光輝.“三軟”厚煤層綜放工作面沿空掘巷圍巖錨固控制研究［D］.焦作：河南理工大學，2020.

作者簡介：鄭永亮，男，山東壽光人，工程師，本科，研究方向：采掘工程。