煤巷锚杆支护快速掘进技术浅析

煤巷掘进效率低、机械不能充分发挥作用，在很大程度上与配套能力低、配套不完善有关。巷道掘进系统中的主要配套环节多、包括支护、转载、运输、供电、供水、通风、降尘等，要提高煤巷掘进效率、充分发挥机械化作用，必须提高设备综合配套能力，使之进一步完善。特别是支护和运输工作量大，占用时间多，必须解决好这两个关键环节，才能充分发挥掘进设备的潜力。在缩短支护时间方面，根据地质条件，尽量采用锚杆支护，提高巷道支护效果，减轻工人劳动强度，加快成巷掘进速度。

二、煤巷锚杆支护的相关理论及原则

目前锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊理论是最早的锚杆支护理论，特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。

煤巷锚杆支护工艺要遵循四个原则：一是提高单根锚杆与单根锚索的强度，在保证支护强度不低于原有支护强度和巷道安全的前提下，减小锚杆密度，降低单位面积上锚杆数量，从支护设计上提高成巷速度;二是提高锚固系统的整体刚度，增加锚固区抵抗变形的能力。充分发挥大扭矩锚杆及高预紧力锚索的支护作用;三是大幅度提高锚杆的预紧力，提高锚杆控制围岩的早期扩容与离层的能力，最大限度地保持锚固煤岩体的完整性和承载能力，避免围岩产生较大的变形，使其强度过早、过快地降低。设计锚杆预紧力应达到其屈服强度的30%～40%;四是提高组合构件的强度与刚度。由于锚杆密度降低，锚杆间的距离增大。为了有效控制锚杆之问煤岩的变形、松散、破坏，需要增加钢带的强度与刚度。

三、煤巷锚杆支护的影响因素

影响煤巷锚杆支护的主要因素有两方面，一是锚杆的选择，一是断面选择。锚杆选择包括①锚杆种类的选择。锚杆种类的选择主要是锚杆的材质、直径、延伸素、让压性能、预紧力的选择比较以及锚固剂的选择。②锚杆的让压性能。深部高应力巷道锚杆支护的成功与否与锚杆是否具有足够的高位让压性能具有很大的关系。③锚杆的预紧力。较高的锚杆预紧力可以提供锚杆相应的支护应力，阻碍围岩的变形。对于深部高应力巷道的锚杆支护，施工扭矩为400--600N·m，可以提供30~70KN的预紧力。④锚固剂的选择。由于目前高强锚杆的杆体直径大都在22mm左右，甚至达到25mm，使用传统的锚固剂进行搅拌，是比较困难的，应选用低黏度的锚固剂。初期高强让压锚杆的锚固剂应尽量选择两块，第一块应选择快速或超快速锚固剂，保证锚杆的初期安装应力的迅速试验，第二块应选用中速或慢速锚固剂，保证锚杆的长时锚固力。

对于深部高应力巷道的锚杆支护，在进行断面选择时，必须考虑巷道的服务年限和顶底

板生进行慎重选择。对于服务年限较长的开拓、准备巷道，应尽量选用承压效果好的网弧拱

断面。对于回采巷道，顶板完整性较好的巷道，可采用梯形断面;复合顶板或破碎顶板的巷道，应采用承压性效果较好的斜切圆拱形断面。斜切圆弧拱高一般为巷道宽度的2/5—1/4，斜切圆拱形巷道上肩窝部高度达到煤层顶板，巷道下帮墙高根据设计要求进行设计，掘进过程中通过控制中部高度实现拱高控制。

四、煤巷锚杆支护快速掘进的技术手段

1、发展掘锚新机具

当前煤巷快速掘进的施工方法为：掘进机割煤--桥式胶带转载机和固定皮带机运煤--敲帮问顶--顶锚杆机打顶眼并安装、帮锚杆机打帮眼并安装，实现一次成巷、及时支护。就目前的施工工艺而言，影响快速掘进的主要因素有两方面：一是掘进机割煤速度;二是锚杆机打眼及安装速度。要实现快速掘进，一方面要发展应用大功率掘进机，如EBZ230型;另一方面要研制新型锚杆钻机。现在澳大利亚液压工程公司生产的机载锚杆机，拥有AR04000系列顶锚杆钻机、AR05500系列帮锚杆钻机等型号，可安装在任何型号掘进机上，以掘进机自身液压系统为动力，具有安全、高效、准确、快速、使用寿命长等优点，能够实现顶帮锚杆的快速安装。它将是我国煤巷快速掘进的又一发展方向。

2、发展联合支护形式扩大应用范围

稳定的围岩采用单一的锚杆支护是可行的，但是在受到动压影响，处于软岩层中，围岩容易变形、地层压力大的不稳定围岩，则必须采用不同的锚杆联合支护。不稳定或极不稳定的Ⅳ--V类巷道。这类巷道的特点是围岩破坏范围和变形量大，除锚杆支护配合菱形网支护外，还应采取缩小锚杆间排距、配合锚索梁加固、架棚、顶板注浆等特殊手段加强支护。另外，在跨度较大的巷道交岔点、硐室、切眼开门口和地质构造破碎带，单纯的锚杆支护不足以维护巷道稳定，还须用上述手段辅助加强支护。如果这些问题得以解决，就可以把锚杆支护作为唯一的顶板支护方式，实现巷道支护锚杆化，进一步提高巷道的掘进速度。

3、改进设计方法优化设计参数

支护设计以往主要是依据悬吊理论、组合拱理论或挤压加固理论，采用工程类比法和计算公式法。但由于地质条件的复杂性，就一种方法或一个公式不能给出合理的设计参数。为解决这一难题，采用以地应力为基础的动态设计法，并在此基础上建立计算机辅助设计的专家系统。该方法主要内容为“地质力学评估----数值模拟初始设计----现场监测----利用反馈信息修改设计”。现场监测非常关键，监测取得的数据是作为二次修改设计的依据，修改设计后再应用于实践。只有经过不断地改进支护设计，才能使锚杆支护更为经济、合理。在选定设计方法之后，还要根据不同的顶板岩性及地质构造特点，优化设计参数，为快速掘进提供技术依据。

4、进一步改进支护材料

锚杆可以采用lV级锚杆专用螺纹钢加工而成的高性能锚杆，抗破断强度更高，支护刚度更大，限制变形更加有力，针对巷道急剧膨胀扩容产生的高应力控制效果会更有效。锚杆采用新型大托盘(尺寸为200×200mm)、锚索采用400×400mm的大托盘，增大护表面积，减轻目前所用的普通小托盘与围岩局部小面积接触而产生的点载荷作用，防止围岩挤压破损，对松散层裂破碎岩体起到较好的维护效果。新型阻尼螺母能提供较大扭矩，与高性能预拉力锚杆配套，提高锚杆安装过程的可靠性，保证支护系统整体安全可靠。采用MOS--90J2型气扳机可以实现锚杆8--10t的高预紧力，有效增加锚杆对巷道围岩支护初期的控制作用，提升锚杆支护的作用级别。

5、加强锚杆支护人员培训

人是一切工作计划的制定者和执行者，无论从结构合理、质量上乘的锚杆到性能优良的锚固剂，还是从灵活高效的锚杆钻装机具到灵敏精密的监测仪器仪表，都需要人来操作。我国煤矿施工队伍人员素质偏低，加上监督管理不到位，往往施工质量难以保证。因此，重视和加强锚杆支护技术人员和施工工人的技术培训和岗位训练，必然有助于我国煤矿锚杆支护技术的发展和锚杆支护的普及。

总之，锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，具有支护成本较低、成巷速度快、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为煤矿企业矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。

参考文献：

[1]侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护[M].徐州:中国矿业大学出版社.1999.

[2]周宝平.简析煤巷锚杆支护快速掘进技术的发展.中小企业管理与科技.2009.