竇世文 賈偉東 趙文琪 張滿倉 戴若州

1.新疆煤炭設計研究院有限責任公司，中國·新疆 烏魯木齊 830000

2.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，中國·遼寧 阜新 123000

1 引言

煤炭是中國最主要的一次能源之一，中國煤礦生產的主要形式是地下開采。近年來，隨著綜采技術的不斷發(fā)展，煤礦開采深度以及開采強度不斷提高，所面臨的開采環(huán)境、地質問題也越來越復雜。在煤礦井下回采過程中需要挖掘大量的巷道，巷道的通暢以及圍巖的穩(wěn)定性關系著煤礦的生產穩(wěn)定及安全穩(wěn)定，為了保障煤礦生產穩(wěn)定安全，需要安全可靠的巷道支護技術。同時，隨著綜掘機的發(fā)展與應用，掘進以及開采工作的效率提高，也需要更為規(guī)范高效、安全可靠的支護技術。

2 錨桿支護理論

錨桿支護促使圍巖由載荷體轉化為承載體。盡管錨桿在不同地質條件下作用機理有所不同，但都是在巷道周邊圍巖內部對圍巖加固，形成圍巖承載體，有利于圍巖的穩(wěn)定。中國與其他國家現場對比試驗表明，在同一條件下錨桿支護與剛性金屬支架支護比較，巷道圍巖移近量減少一半左右。傳統(tǒng)的錨桿支護理論都是以一定假說為基礎，各自從不同角度、不同條件闡述錨桿支護的作用機理，其力學模型簡單，計算方法簡捷，適用于不同的圍巖條件。近年來，錨桿支護理論研究有了進一步發(fā)展，提出了巷道錨桿支護圍巖強度強化理論，并且把錨固技術作為一個系統(tǒng)進行整體研究，進一步揭示了錨桿支護的實質。

2.1 懸吊理論

懸吊理論認為，錨桿支護的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性。如果巷道淺部圍巖松軟破碎，頂板出現松動破裂區(qū)，錨桿的懸吊作用是將這部分易冒落巖體錨固定在深部未松動的巖層上。

2.2 組合梁理論

如果頂板巖層中存在若干分層，錨桿的作用一方面提供錨固力增加各巖層間的摩擦力，阻止巖層沿層面繼續(xù)滑動，免出現離層現象。另一方面錨桿桿體可增加巖層間的抗剪強度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內的幾個薄巖層鎖成一個較厚的巖層。

2.3 組合拱理論

組合拱理論認為，在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預應力桿，從桿體兩端起形成圓錐形分布的壓應力區(qū)。

如果錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體相互交帶在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即壓縮拱。壓縮拱內巖石徑向、切向均受壓，處于三向應力狀態(tài),圍巖強度得到提高,支承能力相應增大。

2.4 最大水平應力理論

該理論由澳大利亞學者WJ·Gale 提出，他認為礦井巖層的水平應力通常大于鉛直應力，巷道頂底板的穩(wěn)定性主要受水平應力的影響；圍巖層狀特征比較突出的回采巷道開挖后引起應力重新分布時，鉛直應力向兩幫轉移，水平應力向頂底板轉移；鉛直應力的影響主要顯現于兩幫而導致兩幫的破壞，水平應力的影響主要顯現于頂底板巖層。錨桿的作用是沿錨桿軸向約束巖層膨脹和在垂直錨桿軸向方向約束巖層剪切錯動[1]。

3 錨桿支護設計原則

錨桿支護設計一般有四個步驟，分別是初始設計、實施設計、礦壓觀測、修改初始。各個步驟設計原則分別為：

初始設計：要根據巷道生產技術條件和地質條件、相似條件下礦壓顯現的規(guī)律和圍巖變形特點，圍巖的巖性、節(jié)理和層理的發(fā)育程度等，采用工程類比法、數值模擬法或理論計算法，提出巷道基本支護形式、確定主要支護參數，并根據有關規(guī)定進行校核，形成初始設計[2]。

實施設計：根據初始設計編制掘進作業(yè)規(guī)程，嚴格按初始設計及作業(yè)規(guī)程進行施工。

礦壓觀測：在前期施工過程中要進行質量監(jiān)測和礦壓觀測，驗證支護參數的合理性、支護設計的正確性，并及時反饋支護信息，為修改初始設計提供科學依據。

修改設計：根據反饋的支護信息，對初始設計進行修改。根據修改完善后的支護設計補充技術措施，保證施工安全和支護效果。

4 錨桿支護施工方法

預應力錨索加固巖體或土層的實質，就是通過錨索對被加固的巖體或土層預先施加壓應力，限制有害變形的發(fā)展，從而保持圍巖的穩(wěn)定。對于礦山井巷工程的錨索支護設計，目前采用的主要有以下三種方法。

4.1 工程類比法

工程類比法發(fā)展較早，也是當前應用最廣的方法。目前中國有關的支護規(guī)范仍以此法為主，現在的工程類比法主要在圍巖分類的基礎上，根據擬建工程的圍巖等級和工程尺寸等，參照已建工程的經驗，直接確定支護參數與施工方法。

4.2 理論計算法

理論計算方法是在測得巖體和支護力學參數的前提下，根據圍巖力學特征建立數學模型，通過計算來確定支護參數的方法。因圍巖地質條件復雜多變，其力學模型和巖體力學參數不易準確測定，在計算方法中很難全面反映施工方法和支護時機等因素，所以，理論計算法只作為設計參考。

4.3 現場監(jiān)控法

現場監(jiān)控法又叫信息設計法，是新近發(fā)展起來的一種以現場量測為手段的設計方法。這一方法以現場監(jiān)測的信息為依據，邊施工邊量測，不斷把量測結果反饋到設計和施工中去，從而不斷修改設計。

在具體設計中，應根據礦山井巷的工程地質條件，三種方法結合應用。礦山井巷工程的地質條件一般比較復雜，外荷載不明確，所以設計錨索加固方法多以工程類比法為主，有時也用一些經驗公式。近年來礦山井巷支護工作推行新奧法施工，即判定準則。工程地質調查，是設計的重要依據。設計方法是：按工程特點和施工條件選擇合適的錨索形式；錨索布置密度，按工程類比法或經驗估計，一般控制在每根間距5m，對于松軟夾層局部補強，也可根據具體情況確定；錨索安設方向原則上應正交于結構或層面，一般也可按巷道徑向均勻布置，設計系統(tǒng)錨索應充分適應這一條件[3]。

5 掘進巷道錨桿支護的應用

5.1 懸臂支護方式

當前，煤礦行業(yè)的不斷發(fā)展促進了開采技術與設備的發(fā)展，在整個開采過程中，通過合理的支護方式對其進行保障。一般來說，錨桿支護技術的應用，能夠有效提升巷道安全，而懸臂式技術應用較多，常應用于一些大型煤礦的開采。錨桿支護與傳統(tǒng)支付相比，通過懸臂技術的應用，有效提升了煤礦的穩(wěn)定性與開采效率。在開采過程中，使用較多的機械設備，包括能夠伸縮的輸送機、懸臂掘進機等，通過此技術的應用，大大提升了開采效率。隨著開采技術的發(fā)展，當前，中國引入新的掘進設備，不僅提升了開采效率，還有效提升了掘進的安全性[4]。

5.2 采掘一體方式

煤礦掘進工作開展過程中，把開采與掘進融為一體的方法得到有效應用，在提升了開采質量與效率同時，也有效確保了開采安全性，促進中國煤礦企業(yè)經濟效益和社會效率的提升。通過此技術的應用，實現雙向掘進與開采，并通過采取間歇性與連續(xù)性的方式，提升了開采效率。間歇性重點是近段式與連續(xù)性兩種運輸方式，結合鏟車等設備進行操作，而連續(xù)性操作則采取的是連續(xù)性運輸系統(tǒng)。

5.3 錨桿支護方式

煤礦進行開采的過程中，怎樣提升錨桿支護與掘進技術之間的配合，是相關單位需重視的關鍵點。目前，在應用錨桿支護技術方式下，通過兩種方式的結合，有效提升了煤礦的開采率。另外，通過將杠桿轉車以及傳統(tǒng)采煤機的銜接，有效發(fā)揮出其效能，把鋼結構進行固定，提升了巷道的自固性。此方式的應用，其應用流程簡便，消耗能源小，通過有效應用各類設備與方式，為煤礦掘進巷道提供一個良好的支護環(huán)境。

6 綜采工作面過斷層時的頂板控制措施

6.1 煤層深孔爆破預裂

預裂爆破是指進行石方開挖時，在主爆區(qū)爆破之前沿設計輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫。以緩沖、反射開挖爆破的振動波，控制其對保留巖體的破壞影響，使之獲得較平整的開挖輪廓。預裂爆破不僅在垂直、傾斜開挖壁面上得到了廣泛應用，在規(guī)則的曲面、扭曲面以及水平建基面等也得到了廣泛應用。預裂爆破適用于穩(wěn)定性差而又要求控制開挖輪廓的軟弱巖層。在過斷層時可以結合爆破機理，爆破炸藥參數，設置合理的爆破孔間距并且預裂爆破孔布置方案，使頂板松軟破裂巖石垮落且不破壞巖層整體結構[5]。

6.2 注漿加固施工

綜采工作面回采經過斷裂帶時，會出現頂板破損、片幫、端面距增加和工作面頂板開裂等現象，因此，需要對煤層周圍和頂板采取注漿施工，使其更加堅固。根據巷道的實際情況，需選用強度高，能快速凝固及塑性好的注漿材料，并要求材料與圍巖的充分黏結。井下注漿主要有單液注漿和雙液注漿，根據各自工藝的優(yōu)缺點及實際注漿環(huán)境，選用合適的工藝。最后計算總的注漿量之后對施工方案進行設計并施工。

6.3 超前支護

對巖石和金屬網注漿只能對頂層板起到暫時的支護，時間長了就會失效，作用力會使頂板遭到損壞，因此，用插板支護法對頂板進行支護是一種比較可行的方法。它是一種適用與松軟破碎巖層中的方法。在巷道即將掘進到松軟巖層時，先緊貼工作面架好支架，再從頂板上部及兩側打入一排前端尖形的木板（或木樁、鋼管等），超前插入圍巖起加固作用，然后挖一段，再打入一段，使插板前端始終保持超前工作面插在巖層內，以防止冒頂、片幫。待挖入一架棚的空間后立即架好一架棚，并用拉桿、扒釘釘牢。如此循環(huán)，使巷道穿過松軟巖層。

7 結語

隨著煤礦開采技術的不斷進步，煤礦企業(yè)安全管理意識也隨之增強。煤礦巷道掘進期間所用的支護技術是確保掘進作業(yè)安全的關鍵所在。為此，工作人員必須全面勘察煤礦地質構造，結合實際選取合理的掘進技術與掘進設備，制定出合理的支護結構構建方案，有效保障巷道掘進質量安全，這樣才能在復雜地質條件下全面保障煤礦開采工作效率與安全，促進煤礦產業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。通過對斷層帶處頂板厚煤層采取深孔爆破預裂后，工作面在后期回采中斷層帶上盤厚煤層充分垮落，解決了厚煤層放煤不充分，導致采空區(qū)遺煤量大等難題。大大改善了端面頂板破碎以及煤壁片幫現象，端面距減小，工作面在移架時保證了支架頂梁與頂板充分接觸，增加了液壓支架工作阻力，提高了支護效果。在工作面煤體布置超前鋼針支護后，高了超前應力區(qū)頂板穩(wěn)定性，削弱了超前集中應力對頂板破壞作用，保證了工作面安全高效回采。