煤矿掘进巷道锚杆支护技术应用研究

2020-05-27张克群

工程技术研究 2020年5期

张克群

（山东许厂煤矿有限公司，山东济宁 272173）

近年来，随着我国生产生活对煤矿需求的增加，煤矿开采的力度与强度逐步增加，我国煤矿开采进入了深部开采的常态化阶段。开采深度的增加也为煤矿开采带来了一定的风险，尤其是深部围岩结构的复杂性，使得在支护结构的设计上，支护参数的计算与确定具有了更高的难度。锚杆支护技术是近年来应用最多的支护技术，这种支护结构本身可以对巷道围岩等起到良好的稳定与加固作用，保障了煤矿开采作业的安全，有利于减少煤矿开采安全事故的发生。

1 锚杆支护技术应用的必要性

1.1 解决煤矿掘进范围增加问题

近年来，经济社会的发展刺激了煤矿资源的需求，因此，煤矿的开采量逐步增大。为满足使用需求，煤矿掘进工作面不断扩张，这种开采趋势也增大了开采风险。为了有效降低煤矿开采过程中安全事故发生的概率，保证开采的效率与质量，必须实现巷道的优化，而锚杆支护技术在巷道中的应用起到了良好的稳定与加固效果，有效解决了煤矿掘进范围增加所带来的开采风险问题。

1.2 解决开采深度加深问题

我国煤矿资源虽然储量丰富，但是经过多年的开发，浅层煤矿储量已急剧锐减，近年来，煤矿开采逐步朝着深部开发。在深部开发中，为保证开采量，且掘进深度逐步增大。这种情况下，开采安全事故频发，为减少开采过程中的安全风险，必须实现对巷道的加固，以提升巷道的安全性，为开采创造相对安全的环境。

1.3 促进巷道快速掘进

巷道掘进中锚杆支护技术的应用也提升了掘进的效率。随着锚杆支护技术形式的多样性、设备的先进性等，锚杆支护的效果逐步提升，为快速掘进与开采创造了良好的基础条件。

2 巷道锚杆支护技术作用

2.1 组合拱的作用

在煤矿开采过程中，矿井巷道围岩的岩层存在各种差异，相关人员在开采作业中要重视对岩层力学性质等的分析，以保证巷道支护技术应用的科学性。有些岩层虽然破碎但是其在特定的条件下具有良好的稳定性，对这种岩层而言，组合拱技术的应用可以起到良好的支护效果。但对一些相对破碎的岩层的处理中，可以采用锚杆组合的方式，这种组合方式可以在一定的时间内形成较为稳定的岩层，避免破碎现象的加剧，保证了巷道掘进的安全。

2.2 组合梁的作用

组合梁锚杆支护技术的应用范围有限，一般应用于围岩结构较为复杂的煤矿开采。在实际的应用中，主要是通过锚杆的组合，实现多层岩石的锚固，在围岩周围形成石板梁，从而提高巷道围岩的稳定性，实现巷道的加固。锚杆支护的组合梁作用，不仅可以大大提升巷道的稳定性与安全性，还可以在一定程度上减慢岩层的移动速度，提升顶板的抗压力性能，使得巷道能够具备较好的承载力。基于该种支护技术的优势，组合梁锚杆技术在我国很多煤矿都得到了应用。

2.3 悬吊的作用

锚杆支护技术的应用中，最为基础的作用即是悬吊作用。近年来，随着锚杆支护技术的快速发展，其支护功能逐步完善，在煤矿巷道掘进中发挥了越来越重要的地位与作用。从锚杆支护的悬吊作用来讲，主要是在煤矿开采中提升了巷道结构的稳定性。具体的应用中，利用锚杆对巷道岩石中出现裂缝的碎石与岩石吊起，阻止这类岩石裂缝的扩展，从而延缓断层的形成。但是，从悬吊式锚杆支护的应用效果来看，其支护功能具有单一性，在处理局部围岩失稳方面可以起到良好的应用效果，但是其对整体巷道的稳定性会产生不利的影响，降低了整体巷道结构的稳定性。

3 巷道锚杆支护设计依据

在煤矿掘进巷道锚杆支护技术的应用中，由于支护方式的多样性，在支护设计等环节必须充分考虑多方面的因素，综合分析巷道断面的大小、形状、稳定性等因素，确定最优的巷道支护方案。如果煤矿矿井的规模较小，其巷道的断面较小，在支护设计中其难度系数也相对较小。反之，对于大规模的矿井，在支护设计中需要考虑的因素更多。由于煤矿开采中包含的工程人员、物质等较多，其工作断面较大，在支护设计中要全方位考虑各种影响因素，保证支护方案应用的实际效果，提升巷道结构的稳定性。

4 煤矿掘进巷道锚杆支护类型

4.1 悬臂煤矿掘进巷道锚杆支护技术

悬臂煤矿掘进巷道锚杆支护技术应用的普遍性较高。随着技术的进步，悬臂巷道掘进锚杆支护技术也在逐步进步，与传统的悬臂锚杆支护技术相比，当代的锚杆支护应用效果更为明显，主要包含了悬臂式掘进机、转载机、单体锚杆组钻机等设备。以山西潞安煤矿为例，该煤矿掘进巷道中应用了悬臂锚杆支护技术，在实际的应用中主要使用了悬臂式挖掘机、锚杆钻机、输送机等设备，这些设备的应用充分发挥了良好的应用效果，使得悬臂煤矿锚杆支护技术的应用呈现出高效率、高稳定性的特点。以某矿井为例，该巷道宽4.2m，高2.8m，顶板较为破碎，其悬臂煤矿掘进锚杆支护技术的应用如图1所示。

图1 悬臂煤矿掘进巷道锚杆支护方式示意图

在该支护技术的应用中，其使用的支护材料如表1所示。

表1 山西潞安工程有限公司煤矿巷道支护材料

4.2 采掘合一巷道锚杆支护方式

采掘合一技术在实际的应用中，其最为明显的特征就是掘进与采煤的同步性，与此同时，还可以进行大断面落煤、运送等，有效提升了采煤的效率。因此，采掘合一巷道锚杆支护技术成为近年来在煤矿开采中应用极为广泛的支护技术，不仅保证了支护的效果，也大大提升了采煤的效率，是一种经济价值较高的支护技术。

4.3 煤矿掘进巷道锚杆支护方式

随着煤矿开采作业的深入开展，锚杆支护技术与巷道掘进的结合已逐步成为煤矿行业发展的主要趋势。为保证煤矿开采中巷道掘进的速度，逐步应用了锚杆钻车，该钻车是在连续采煤机与悬臂式采煤机的技术上发展而来的。如果煤矿掘进巷道锚杆支护采用的是后张法预应力结构，就需要使用预应力锚具组织施工，比如摩阻锚具、机械锚具等。就摩阻锚具的应用来看，其在应用中的应力损失较小，连接较为便捷，在没有灌浆之前可以通过张扣或者放松来进行预应力的调节。而机械锚具主要是对预应力钢材的端部加以机械加工形成的，在这种加工处理下，可以为锚碇工作创造良好的条件，从而使得其可以实现加固处理的效果，机械锚具具有吨位大、变化多的特征，一般应用于强度较大的粗钢筋中。

5 煤矿掘进巷道锚杆支护方式应用的现存问题

5.1 支护设备机械化程度较低

当前，虽然我国逐步锚杆支护逐步实现了机械化，但是依旧存在着支护设备机械化程度偏低的现象。在煤矿巷道掘进工程的开展中，常常受到掘进设备、地质条件等因素的影响，因此，支护设备机械化程度是制约煤矿掘进巷道锚杆支护技术应用的重要因素。机械化程度偏低会严重降低支护处理的效果，因此，煤矿掘进巷道锚杆支护技术必须提升其机械化水平。

5.2 支护一体化技术发展水平较弱

虽然我国的煤矿掘进巷道锚杆支护技术取得了一定的发展成效，但是支护一体化技术的发展水平还远远落后于发达国家，锚固与掘进作业的匹配性较差。比如，在使用悬臂式掘进机进行巷道的掘进时，往往需要掘进作业结束以后方可进行锚固作业，这就使得在两者之间存在重叠时间，延长了锚固支护的时间。在一定的作业周期范围内，锚固作业时间往往多于掘进作业时间，因此，支护一体化技术的实现是未来锚固支护技术发展的重点，能够大大提升锚固与掘进之间的匹配度，提高煤矿开采的整体效率。

6 煤矿掘进巷道锚杆支护技术的应用

6.1 修复巷道

在煤矿开采作业中，如果采用混凝土支架进行掘进巷道的支护，采动压力会使得支架本身出现裂缝等现象，而锚杆可以有效解决此类问题，锚杆可以对混凝土支架起到良好的修复作用。当煤矿巷道围岩表层存在浮石时，可以利用混凝土锚杆进行巷道的修复。当在开采过程中发生安全事故时，可以直接利用有槽钢的锚梁来解决岩石滚落的问题，在一定程度上可以保证工程人员的安全。但是，在此时，需要及时清除巷道顶板的岩石，方可继续施工作业。