煤矿开采技术与掘锚支护技术的分析

＊康二愣

（柳林县安全生产技术服务中心 山西 033300）

就煤矿企业而言，要在供给端改革的背景下进一步推动企业的稳定发展，则需在生产阶段重视煤矿开采技术和掘锚支护技术，积极探究技术优化与改进方案。由此可见，深入研究开采技术与掘锚支护技术对未来煤炭企业的可持续发展具有重要的现实意义。

1.巷道顶板锚杆支护技术理论

(1)悬吊理论

悬吊技术是针对巷道顶板结构强度较弱的岩层进行悬吊处理，从而确保顶部岩层始终处于应力极限之下，并借助锚索锚杆形成的稳定结构提高岩层各部分强度。另外，在悬吊施工过程中利用锚杆支护方案，所悬吊岩体质量应低于整体结构的实际锚固力，在作业过程中应确保锚索在顶板岩层中处于稳定状态。

(2)组合梁理论

图1 组合梁支护技术

组合梁技术是在开采加装锚杆与锚索过程时，通过两装置构成组成梁，使用组合梁进行顶部支护。这种支护技术的优势在于当岩层中存在支护设备时，各岩层之间的内部应力大小将与锚固力成正比，从而在岩层间形成稳定的整体结构。另外，在利用锚杆与锚索构成组合梁后，顶部岩层结构也具备一定的抗剪性，从而对开采扰动具有较好的抗性。根据相关经验可知，当组合梁的梁内极限应力越小时，整体结构的支护效果也更为优秀。

(3)减跨理论

该技术主要在掘锚与煤矿巷道顶板进行支护时，在稳定岩层中安装支护装置并进行末端固定，围绕锚杆支护结构，按照一定规则对顶板划分，确保整体顶板被分配为数个小跨，随后在此结构上建设连续墙，形成稳定的支护结构体系，避免岩层脱离问题出现。

(4)最大水平应力理论

结合相关研究可知，在矿井底部岩层中，应力分布情况具备一定的规律性，部分岩层的内部剪切力主要集中在岩层层理两侧。进而在内部复杂应力作用下，岩层离层、错位问题较为常见，同时在底部矿道两侧出现岩层收缩等。为消除上述问题，技术人员应积极采用锚杆与锚索对岩层的整体结构进行稳固，消除岩层结构变化问题。该方案主体结构由锚杆与锚索组成，借助锚杆与锚索增强岩层的抗剪力以及结构强度，从而形成稳固作用。总之，要确保掘锚支护技术发挥对应效果，设计人员需首先明确岩层的实际厚度与结构特性，以此确定对应的支护方案，发挥最大支护效果。同时，在掘进过程中应对岩层应力数值进行监测，根据岩层厚度、应力条件变化随时对支护方案进行调整，从而保证实际支护效果。在矿工的实际施工过程中，可能出现支护装置安装不到位或是岩层结构破损问题，影响采矿进度。针对这一问题，相关设计人员应首先获取顶板岩层地质数据，在此基础上进行方案论证与计算，提高保证掘锚支护的整体效果。

2.煤矿开采掘锚支护技术设计及具体落实方案

(1)支护设计总体原则

设计人员在调整掘锚支护布置过程中，必须注意顶板弯曲应力极限，合理控制支护应力，以免周边岩体出现结构分离。在部分矿区中，各个岩层之间存在一定数量的微小裂隙，在大跨度开采过程中，可能造成岩体结构出现片状离层现象。另外，若顶板自身质量较高，将导致顶板内部的弯曲应力逐渐增加，危及后续作业。除此之外，在方案制定中若缺少巷道跨度、顶板质量等数值的精确计算，则可能影响支护方案的实际效果，同时在具体施工操作过程中，可能导致整个支护装置对顶板、岩层产生额外压力，使岩层内部结构稳定性逐渐下降，顶板刚度与强度降低，导致离层冒落。在设计与施工过程中，技术人员应高度重视此类问题。其次在规划方案期间应重视巷道各位置之间的内部结构情况。在少数矿井中，受巷道规划方案影响，巷道周边区域的岩层内部将出现应力集中问题，会导致岩层结构失稳，当周边岩体结构超出强度限承拉时，则矿道周边的岩体结构可能出现崩塌。因此在底部支护设计时，必须严格获取目标区域岩层的应力数值，并结合巷道相关数据制定针对性方案，以保证最终支护效果。

(2)掘锚机、连采机掘进与锚杆机支护

①掘锚机掘进

在规划掘进方案设计时，可采用两类作业形式开展，即截割方式和截割循环。第一类作业形式，当运用掘锚机进行工作时，可确保井巷结构较为稳定。应用截割循环后，在截割作业过程中，操作员应操作截割头水平上升，并将切割头转移至井巷顶板位置；其次，技术人员应做好各类设计的技术问题检查工作，确保设备良好后以1m深为标准进行支护作业；随后技术人员在截割到底板，需进行截割头的复位操作，并对作业面剩余煤体开展切割作业；最后，采用机械方式收集余煤，复位作业面的各类设备，使其直接触及井巷顶板，随后开始进行后续作业。

②连采机掘进

在开展连采机掘进作业期间，操作员可采用往复式截割作业模式。在应用截割方案时，连采机的掘进作业必须优先分析确定具体进刀位置。具体而言，作业矿工应瞄准对应的激光点位进行进刀校准与操作，在操作时需将操作点位向左进行微调；操作员在截割深度到达规定标准后即可退机，这一工序即为切槽；随后，操作人员应该将连采机进行重定位，将其转移至井巷右侧，并开展截割作业，此一工序即为采垛。在应用截割循环作业方式后，操作员应用连采机截割时，整体操作工序相较掘锚机掘进难度较高。具体而言，连采机截割循环应按照如下要求开展：第一，操作员应微调伸缩截割头，并运达井巷顶板处于水平位置，并开展对应的设备安全性检查工作，随后进行切割作业；第二，操作员应在切割后对残余煤皮进行清除处理；第三，操作员应对截割头进行重新定位，随后对煤层进行切割；第四，操作人员循环上两项步骤进行往复式切割，直至开采完毕，即顺利完成割煤作业；第五，操作员应优先清理开采作业后的剩余散碎煤炭；第六，施工班组需操作截割头上扬，直至接触到预定规划的顶板点位后停止，并采取往复式割煤作业。在煤层采掘完毕后，司机应操作连采机进行后移操作，为支护作业小组预留施工作业空间。

③锚杆机支护

图2 顶板支护

在完成上述掘进作业内容后，锚杆机方可开始进行支护作业，以此稳固整体井巷结构。具体而言，锚杆机的基本工序主要由以下步骤组成：

第一，操作员首先进行定位。为后续工序作业顺利开展，操作员在打孔前需根据激光定位对锚杆机进行校准操作，使锚杆机处于支护作业面处于正中央，随后技术人员将主托架转移至工作面以外2～5m位置以免影响后续作业。另外，工作人员应合理规划锚杆支护点位，在复杂作业环境下，应委派小组提前进行位置标记，同时在点位两侧注明深度值。

第二，开展钻孔操作。首先操作员应在钻机中装设对应长度的钻杆，并确保钻机与预定的钻孔位置成交错分布，并针对预定标记采取多次复查，检查无误后应通过手动操作使钻头逐渐抵近预定钻孔点位，这一过程中应注重采用小幅度操作，均匀施加钻头加力，随后逐渐提高给进速度。在初步钻孔完毕之后，操作员应更换更长的钻杆，进行后续钻孔操作，确保钻孔深度与图纸规划相符合。

第三，手动操作锚杆支护作业。在钻孔顺利完成后，需采用定深装置进行测算，确保满足要求后方可进行锚杆安装。首先，操作员将锚杆混入搅拌器，操作钻机瞄准标定钻孔点位，并采用机械方式进行填药，同时静止数秒钟，直至药卷落入钻孔底部，然后开展周期性搅拌作业。最后，上述操作完成后，确保托盘与顶板相互重合，此步骤操作时长应维持在20s左右。

第四，对锚杆整体结构进行强化。需要注意的是，此步骤需在短时间内开展。当锚杆孔内的树脂成型稳固后，钻机应马上将锚杆插入进行作业，确保整体结构迅速形成紧固状态，在此操作过程中，操作员应根据对应标准维持设备的扭矩力和锚固力。当各位置锚杆均完成加固作业时，操作员需要将钻机移向下方，重新规划钻架位置，并根据规划方案进行后续锚杆作业，并根据预定方案确保锚杆均打设完成，此时说明支护工作完成。

3.工程实例

某煤矿井巷净宽6.0m，净高5.25m，总长64.23m。在作业过程中，应在井巷外22.45m位置进行底煤预留，并以6°为标准角度值进行爬坡掘进，在掘进至标记点位时则转换为水平掘进方案。井巷掘工作完毕后，初步坑道数据如下：净宽6.2m，净高3.1m，底煤厚1.65m；继续掘进到预定方位后，由开口沿底拉底煤，作业到规划高度后进行掘锚机、连采机掘进与锚杆机支护。

(1)掘锚机掘进

①截割操作

施工班组操作掘锚机时，应做到井巷的一次掘进成型。并根据激光划定的目标点位进行煤壁精确切割，以此完成预定采煤切割作业。

②截割循环

在引入掘锚机截割作业时，操作员应首先将伸缩截割头与截割头调整至井巷顶板位置，在安全检查完毕后，根据预定单位深度标准进行采煤操作，合理控制整体采煤操作工序。在设备到达预定点位后，对截割头进行重新定位，并调整至煤层底部继续循环操作；收集散碎煤炭后，对设备的割头进行复位操作，并上扬割头直至触及顶部岩层。

(2)连采机掘进

①截割方式

操作员操作时需瞄准给定的激光点位，并在瞄准点位左侧进行偏移进刀；在截割操作完成后，需采取手动方式进行复位；随后操作员调整开采设备进行收尾作业，对分布各处的小块煤层进行作业。

②截割循环

进行截割操作时，操作员需首先抬升设备，对各线路以及外部结构进行细致检查；同时对此前切割预留的约200mm的煤皮进行清理；随后，操作员重新调整截割头，进行开采作业，采深则根据预定规划标准确定；操作员则操作设备开展底部作业，根据规划作业需求进行后续截割，直至完成规定截割动作；完成上述步骤后，需操作设备收集散煤，采集完毕后，操作设备进行上扬，使截割头直接触及巷顶板位置，进行下一循环。经过循环操作后，井巷工作面整体进深约为620mm，如此循环，在最后一个循环完成后，连采机退出，采用锚杆机开始支护。

(3)锚杆机支护

①定位

在钻孔前，应手动操作钻机瞄准激光红点位置，并将钻机转移至坑道轴线处，此后将主托架拆除，并手动运送至工作面以外2～5m位置以免影响后续作业。再根据锚杆布置的设计间距和设计排距离，标记锚杆打设具体位置，同时刻上钻进深度值。

②钻孔

将长度为1m的钻杆安装在钻机作业位置，重新调整钻头与钻孔预定点位的相互位置，检查完毕后进行钻孔操作，确保钻头循序渐进，接触后小幅给进，形成小孔，并逐渐增加给进速度，随后更换2m的钻杆进行深度钻进，确保钻孔深度满足设计规划要求。本工程锚杆钻孔设计深度为1800mm，因此在作业过程中应谨慎钻进。

③锚杆安装

钻孔结束后需进行定位作业，并开始安装锚杆。工作人员应对钻孔进行深度检查，确保满足要求后方可进行锚杆安装。首先，操作员将锚杆放置在搅拌器中，调整钻机位置与预定钻孔口附近，在钻孔中放进药卷，提升钻机确保药卷进入到钻孔底部，随后进行8s左右的搅拌工作。

4.结束语

目前，煤矿开采、掘锚与支护技术逐渐走向集成化发展，各部件以及作业工序均可由一体化系统及其配套设施完成，施工作业人员仅需负责操纵、控制和监督。这一发展态势使得施工的整体效率显著提高，降低劳动强度，而且降低了灾害发生概率，并实现了同步开展掘进、锚护平行作业，从而降低整体支护作业的成本消耗，达到保证煤矿开采安全、效率的目标。