煤矿井下掘进过程中巷道锚杆支护的应用

徐楠楠，刘嵩

（山东华新建筑工程集团有限责任公司，山东 泰安 271219）

煤矿井下掘进作业是一项复杂、危险且关键地工程活动，巷道是连接采煤工作面与井口的通道，承担着煤矿瓦斯抽放、通风、物资运输等重要功能。煤矿井下掘进作业常常面临地质条件复杂、巷道围岩变形严重、瓦斯涌出等问题，给巷道的稳定性带来了严峻挑战。巷道锚杆支护作为一种常用的巷道支护技术，通过将锚杆固定在围岩中，形成一个稳定的支护体系，可以有效地防止巷道围岩的变形和塌落，进一步提升煤矿掘进与开采的安全性。

1 锚杆支护在巷道施工中的价值作用

巷道施工是煤矿开采的重要环节之一，而巷道的稳定性对于矿井的安全和高效运营至关重要。在巷道的掘进过程中，地质条件常常复杂多变，存在着地层变形、断裂和岩层滑动等地质灾害，对巷道的稳定性造成了威胁，甚至引发事故。而锚杆支护技术可以通过将锚杆固定在岩体中，增加巷道的承载能力和抗变形能力，有效地防止地质灾害的发生，提高巷道的稳定性和安全性。同时，巷道施工需要进行大量的掘进作业，而锚杆支护可以提供牢固的支撑，减少巷道的变形和沉陷，保证施工的顺利进行，利用锚杆支护可控制巷道的开挖面积，减少不必要的破坏，提高施工的质量和效率。此外，锚杆支护技术还具有良好的经济效益和环境效益。相比传统的巷道支护技术，锚杆支护技术具有施工周期短、材料消耗少、工程成本低等优点，不仅可以降低巷道施工的投资成本，还可以减少对环境的影响，实现巷道施工和矿井开采的可持续发展。

图1 锚杆支护技术示意图

2 掘进巷道锚杆支护技术选择影响因素

2.1 断面形式

随着我国煤矿开采规模的持续扩大，煤炭企业的开采巷道断面也在逐步增加。同时，由于大型机械设备在煤矿开采领域的广泛应用，需要更宽广的断面进行煤炭运输。在巷道断面扩大的背景下，支护技术的应用也面临着更高的要求，不仅需要耗费大量的施工时间和使用大量的支护材料，还需要根据掘进支护的具体情况选择适当的支护方法和技术。例如，对于直径较小的巷道，可以采用锚索技术进行支护，具有操作简便、快速且节约成本等优点，能够显著提高巷道的稳定性和安全性。而对于较宽、较高的巷道，则可以采用钢支架技术进行支护，具有强度高、稳定性好、承载能力强的特点，能够有效地支撑和稳定巷道，确保煤炭运输和生产的安全顺利进行。

2.2 开采深度

随着煤矿开采深度的不断扩大，煤矿巷道的整体支护模式发生了巨大的变化。为了确保煤炭的安全生产和经济效益，需要综合考虑巷道围岩的整体应力状况，合理设计开采深度，并采用科学有效的支护技术。在开采深度持续增加的情况下，巷道所承受的地应力也随之大幅提高。为了确保巷道的稳定性和安全性，需要采用更高强度、更具稳定性的锚杆类型支护技术，通过锚固作用提供足够的支撑力，有效控制巷道变形和破坏，保证煤炭的安全生产和运输。在选择锚杆类型和长度时，需要充分考虑巷道围岩特性和地质条件，不同的围岩特性和地质条件对锚杆支护的要求也不同，根据实际情况选择适宜的锚杆长度和安装深度，以确保锚杆支护的效果和稳定性。此外，在项目作业现场施工过程中，还需要采取一系列措施保障锚杆支护的质量和稳定性。例如，及时排除巷道内的积水，避免积水对锚杆支护造成不利影响。同时，要加强现场管理和监督，确保锚杆安装、固定等环节的质量和安全，最大程度地提升巷道施工的安全性和效率。

2.3 巷道围岩完整度

围岩的完整性对于提供稳定支撑力至关重要，可以有效防止岩层移动，并减少对锚杆的依赖程度。在巷道支护过程中，技术人员需要密切关注围岩的完整度，以确保其不会发生垮落、坍塌以及内部裂纹等情况。如果围岩存在受损或不够完整的情况，会导致巷道的应力集中在锚杆上，从而增加锚杆失效的风险，技术人员需要根据巷道围岩的具体情况，选择适合的锚杆类型和安装方式。例如，可以选择具有特殊性能的锚杆，如抗剪切能力强、承载能力大的锚杆，以增强围岩的支撑力和稳定性。同时，还可以采用预应力锚杆技术，通过施加预应力来增强锚杆的锚固效果，进一步提高围岩的稳定性和安全性。此外，在安装锚杆时，技术人员需要注意确保锚杆的安装质量。例如，要确保锚杆的锚固深度和角度符合设计要求，以确保锚杆能够充分发挥其支撑作用，还需要加强施工现场的监督和管理，确保锚杆安装过程的安全性和质量。

2.4 支护参数

锚杆支护是煤矿井下安全掘进的关键措施之一，能够显著提高巷道的稳定性和安全性。为确保锚杆支护的有效性和安全性，施工技术人员需要深入理解锚杆支护的技术特征，并且根据煤矿巷道围岩结构的实际情况，合理调整锚杆支护的设计方案。根据煤矿巷道围岩结构的特性和地质条件，选择适宜的锚杆直径和长度能够提高锚杆的锚固力和稳定性，进而增强巷道的支撑能力，技术人员需要根据实际需求和地质勘测数据，合理选取锚杆直径和长度。数值模拟是一种有效的技术手段，可以对岩层力学参数和锚杆力学模型进行系统分析，进一步确定巷道的受力状态，帮助技术人员更好地了解巷道的受力状态和锚杆的力学行为，并为优化巷道锚杆支护设计提供重要的参考依据。

锚杆支护验算：顶板压力公式：

式中，A所代表的是一般巷道跨度；F所代表的是岩石硬度系数；Y所代表的是顶板岩石平均容重。

锚杆长度计算：结合悬吊理论进行锚杆参数计算：

式中，L所代表的是锚杆总长度；H所代表的是自然平衡拱高度；K所代表的是安全系数；L1所代表的是锚杆在稳定岩层中的锚入深度；L2所代表的是巷道外锚杆外露长度。

3 煤矿井下掘进过程中巷道锚杆支护的实践应用

3.1 工程概述

在开采作业面设计中，规划巷道的长度为615m，选用具有优秀的切割和挖掘性能的EBZ-260B型掘进机，继而高效地完成复杂的巷道作业。在巷道的施工过程中，我们采用临时支护方式丝杠前探梁，以确保作业面的稳定性和安全性，有效地支撑巷道顶部，防止岩石掉落，为作业人员提供一个相对安全的工作环境；永久支护方面选用锚杆支护技术，有效地加固巷道，提高其承载能力，确保巷道的长期稳定性和安全性。

巷道的断面设计采用矩形的形状，宽度为4.5m，高度为2.8m。这种设计能够满足巷道内设备安装和运输的需求，同时也考虑了通风和排水的要求，在0～27.7米的范围内，巷道的宽度将暂时扩大至5.5m，以满足特殊施工需求。

3.2 支护设计

3.2.1 顶板锚杆支护参数

在案例工程中，巷道顶板支护阶段采用了“锚索+金属网+锚杆+钢筋带”联合支护方式。这种联合支护方式能够有效地提高巷道的稳定性和安全性，降低顶板破损的风险。

锚杆采用的是φ18mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度为2200mm。这种锚杆具有较好的抗拉性能和锚固力，能够有效地将巷道顶板与围岩连接起来，提高顶板的稳定性。锚杆布置的间距为1100mm和1200mm，这样的布置能够保证每个锚杆都能发挥其作用，达到最佳的支护效果。

为了实现金属网与顶锚杆的联合应用，锚杆扭矩需要高于120N·m。通过将两层金属网应用至顶板发生破碎的区域，能够增强该区域的支撑能力，防止破碎顶板掉落，保证作业安全。针对5.5m宽度巷道和4.5m宽度巷道，采用不同规格的锚杆。6000mm的φ17.8mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆被应用在其中，这种锚杆具有较好的抗拉性能和锚固力，能够满足不同宽度巷道的支护需求。锚杆布置的间距为2000mm和1500mm，排距布置为3600mm，这样的布置能够保证每个锚杆都能发挥其作用，达到最佳的支护效果。

3.2.2 两帮锚杆支护参数

在巷道支护设计中，选用φ18mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆作为顶锚杆，长度为1700mm，这种锚杆具有优秀的抗拉性能和锚固力，能够有效地将巷道顶板与围岩连接起来，提高顶板的稳定性。同时，采用φ4mm的冷丝金属网作为金属网，其网络尺寸被设计为40mm×40mm，这种金属网具有较好的韧性和抗拉性能，能够有效地增强巷道顶板的支撑能力，防止岩石掉落，保证作业安全。此外，针对两帮的锚杆设置1000mm的间距和1200mm的排距，保证每个锚杆都能发挥其作用，继而达到最佳的支护效果。

3.3 掘进支护注意事项

3.3.1 有效控制锚杆扭矩力

在煤矿开采深度不断加深的背景下，矿井的深度已经达到了千米级别，在这样的开采深度下，巷道围岩的稳定性面临着更高的要求。由于地层压力和开采扰动的影响，巷道围岩容易出现离层的情况，给巷道的支护带来了极大的挑战。在进行巷道支护的过程中，对锚杆扭矩力的控制显得尤为重要。锚杆作为支护结构的重要组成部分，需要具备抵抗离层冲击力和应力的能力，以避免巷道围岩出现断裂的现象，施工技术人员需要尽可能地保证锚杆扭矩的合理性，将数值控制在300～400N·m的范围以内。当锚杆的扭矩力在这个范围内时，锚杆能够更好地与围岩紧密结合，形成稳定可靠的支护结构，提高巷道的整体稳定性，有效地减少围岩离层的发生，保证煤矿的安全生产。

3.3.2 提升锚杆受力合理性

在煤矿井下掘进过程中，巷道锚杆的受力合理性对于其稳定性和安全性至关重要。当锚杆受力超出其自身的抗拉强度时，将直接影响锚杆的稳定性，可能会导致锚杆出现不同程度的断裂问题，甚至会引发多种安全隐患。

设计应用托盘和螺母间配套的球形让压管，让压管在系统受到较强荷载作用下具有自适应能力，能够依托自身形变来增加锚杆延伸率，从而有效地防止巷道内出现锚杆断裂问题。同时，这种球形让压管的设计能够有效地吸收和分散锚杆所受到的应力，避免锚杆出现断裂等问题，提高锚杆的稳定性以及受力合理性，使得巷道内的支护更加可靠和安全。

3.3.3 强化掘进技术施工管理

在进行煤矿井下掘进施工时，为了确保巷道锚杆支护的质量，施工管理人员必须严格监督施工过程。一旦发现施工现场存在施工问题，应立即制止使用人员，以避免锚杆支护出现问题，从而影响井下岩土层的稳定性。此外，在井下掘进作业中，如果突发事故情况，施工管理人员需要及时采取相应的紧急措施，安抚作业人员的紧张情绪，确保井下掘进作业能够有效地进行。

4 结语

总之，煤矿井下掘进过程中，巷道锚杆支护能够有效地提高巷道的稳定性和安全性，减少事故发生的风险，不仅可以推动煤矿井下安全生产的进一步提升，还能够为煤矿的安全生产做出更大的贡献。