煤礦煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)

引言
　　錨桿支護(hù)是煤巷掘進(jìn)過程中，用以維持頂板和圍巖穩(wěn)定性，提高礦井作業(yè)安全系數(shù)的重要技術(shù)措施。它利用錨桿與圍巖的共同作用，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖自身承載能力，使圍巖由施載體轉(zhuǎn)化為承載體，達(dá)到限制圍巖變形、位移和裂縫的目的。錨桿支護(hù)作為煤巖巷道工程的一種支護(hù)方式，由于其勞動強(qiáng)度低、成巷速度快、巷道斷面利用率高、回采面的端頭維護(hù)工藝簡單、可明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等特點(diǎn)，因此得到了大力的推廣應(yīng)用。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于現(xiàn)場條件與理論層面存在差異，往往容易出現(xiàn)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法不合理、錨桿支護(hù)安全系數(shù)低、錨桿機(jī)具設(shè)備不配套、支護(hù)參數(shù)不合理等問題。
　　為了在煤巷掘進(jìn)過程中盡力規(guī)避以上問題，本文結(jié)合煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)要求，以西部某煤礦4202工作面錨桿支護(hù)任務(wù)為例，通過支護(hù)試驗(yàn)確定支護(hù)參數(shù)，大大提高了錨桿支護(hù)的科學(xué)性，使巷道作業(yè)更加安全。
　　1 煤巷錨桿支護(hù)現(xiàn)狀
　　1.1 現(xiàn)有錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法不完善，欠規(guī)范
　　目前關(guān)于錨桿支護(hù)的相關(guān)理論有很多，比如組合梁作用理論、圍巖松動圈支護(hù)理論和懸吊理論等，雖然這些理論有利有弊，都有一定的適用范圍，但是并不能從根本上控制所有地址條件下的圍巖變形，面對這種形勢，必須針對現(xiàn)有錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法不完善、欠規(guī)范等問題，有針對性地采取應(yīng)對措施，即科學(xué)合理地劃分煤層和頂板類別，運(yùn)行信息化設(shè)計(jì)方法，從巖層屬性、地壓來源、地壓活動基本規(guī)律入手，完善、規(guī)范錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過程，使支護(hù)體系和施工工藝不斷適應(yīng)圍巖變形的活動狀態(tài)。
　　1.2 錨桿支護(hù)的安全性不高
　?、馘^桿及其附件加工不規(guī)范，包括：錨桿桿體和螺紋部分不等強(qiáng)；托盤加工粗糙，強(qiáng)度低；錨桿支護(hù)附件的剛度偏小等。
　?、阱^桿支護(hù)監(jiān)測設(shè)備性能不高、可靠性差，嚴(yán)重制約了我國錨桿支護(hù)工程的驗(yàn)收質(zhì)量和安全可靠性，正因?yàn)殄^桿支護(hù)監(jiān)測設(shè)備對整個施工質(zhì)量的影響巨大，我國一直以來都十分重視對錨桿支護(hù)監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)工作，相繼研發(fā)了很多的相關(guān)設(shè)備，但是這些設(shè)備普遍存在性能不高、功能不齊全、可靠性低等問題，嚴(yán)重影響了我國錨桿支護(hù)的安全、可靠水平的提高。
　　錨桿支護(hù)的安全性不僅要保證錨桿支護(hù)的規(guī)范性，也要確保支護(hù)附件的剛度。面對這種形勢，相關(guān)部門應(yīng)及時采取有效措施，首先針對錨桿支護(hù)及其附件制定相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范生產(chǎn)流程，同時加強(qiáng)監(jiān)測和監(jiān)督工作，進(jìn)而提高錨桿支護(hù)的安全性。
　　1.3 錨桿機(jī)具研發(fā)進(jìn)展慢、設(shè)備不配套
　　眾所周知，錨桿機(jī)的性能直接影響著錨桿安裝質(zhì)量和施工速度。現(xiàn)階段，我國的錨桿機(jī)主要還是以單體錨桿鉆機(jī)為主，造成這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡m然我國也有電動、液壓錨桿鉆機(jī)等，但是這些先進(jìn)錨桿鉆機(jī)的性能結(jié)構(gòu)還并不盡如人意，且其機(jī)械化和自動化程度也不夠高，因此較少得到應(yīng)用。不可否認(rèn)，我國現(xiàn)有的錨桿鉆機(jī)無法從哪個方面比較都落后于國外同類產(chǎn)品。究其原因，本文發(fā)現(xiàn)國外不僅十分關(guān)注各種具體用途的錨桿結(jié)構(gòu)型式，也很注重對錨桿鉆裝機(jī)的研發(fā)工作。反觀我國，錨桿機(jī)具研發(fā)進(jìn)展慢、設(shè)備不配套的問題屢屢得不到解決，這就要求相關(guān)部門必須組織相關(guān)團(tuán)隊(duì)，不斷攻關(guān)和研究錨桿機(jī)具，使其安全性得到有效保證。
　　1.4 提高施工、管理人員的理論水平
　　人為因素也是制約巷道安全支護(hù)的一個重要原因，一線操作人員動作不規(guī)范、管理人員對監(jiān)測設(shè)備認(rèn)識不足等問題，都可能嚴(yán)重影響到施工的安全性。因此，要想保證施工和相關(guān)設(shè)備的安全性，提高施工、管理人員的理論水平和實(shí)踐能力是當(dāng)務(wù)之急，通過提高施工、管理人員的理論水平，促使整個施工過程更加系統(tǒng)化和規(guī)范化。
　　2 改進(jìn)建議
　　2.1 錨桿支護(hù)工程質(zhì)量檢測與監(jiān)測技術(shù)的研究
　　由于錨桿支護(hù)屬于隱蔽性工程，一旦施工不當(dāng)或者不合理，很可能會造成嚴(yán)重的施工安全事故，在這種情況下，施工后進(jìn)行工程質(zhì)量檢測是必要的。監(jiān)測巷道圍巖的變形和破壞狀況、錨桿受力分布和大小在施工過程，獲得支護(hù)體和圍巖位移和應(yīng)力信息，驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，結(jié)合修正的設(shè)計(jì)效果為新設(shè)計(jì)提供依據(jù)；檢測是監(jiān)督施工質(zhì)量的重要內(nèi)容，是保證錨桿支護(hù)安全可靠的重要手段，必須制定有規(guī)范、科學(xué)的工程質(zhì)量檢測方案。錨桿工程質(zhì)量檢測主要為錨桿的錨固性能和安裝質(zhì)量，礦壓監(jiān)測主要包括圍巖位移、錨桿受力、圍巖應(yīng)力監(jiān)測等內(nèi)容。 　　當(dāng)前國內(nèi)外相繼研發(fā)了很多的儀器儀表，這些儀器儀表性能良好，但是良好的儀器儀表也得由人操作，只有良好的性能加上規(guī)范的操作，才能有效保證施工安全，這就要求相關(guān)部門加強(qiáng)對現(xiàn)場人員和管理人員的培訓(xùn)，使其真正意識到自身崗位的重要性，加強(qiáng)監(jiān)測工作，規(guī)范施工流程，保證施工安全。
　　2.2 研發(fā)新型錨桿鉆機(jī)及其配套設(shè)備
　　與發(fā)達(dá)國家相比，我國現(xiàn)有的錨桿鉆機(jī)還存在很多不足，比如效率低、鉆進(jìn)速度慢等，因此研發(fā)新型錨桿鉆機(jī)及其配套設(shè)備刻不容緩。要求研發(fā)的新型錨桿鉆機(jī)及其配套設(shè)備不僅要滿足錨桿支護(hù)的要求，還要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。設(shè)計(jì)上要從“三高一低”的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變，不斷提高支護(hù)設(shè)施工的機(jī)械化程度。所謂“三高”就是高強(qiáng)度、高剛度、高可靠，“一低”是低密度。優(yōu)選施工機(jī)具、優(yōu)化施工工藝，采用快速安裝機(jī)具與工藝進(jìn)行研發(fā)，是實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)施工速度的有效途徑。
　　2.3 加強(qiáng)施工人員的業(yè)務(wù)知識培訓(xùn)和現(xiàn)場技術(shù)管理
　　一方面加強(qiáng)施工和技術(shù)人員業(yè)務(wù)知識培訓(xùn)，另一方面要求工人嚴(yán)格按施工組織設(shè)計(jì)施工。在錨桿的安裝時，要嚴(yán)格按照施工順序和操作程序施工，無論是幫部錨桿或者頂部錨桿，在合理使用打眼錨桿機(jī)的同時，要做到如下幾點(diǎn)很重要：①杜絕干打眼，保證在風(fēng)水電正常情況下工作；②在裝樹脂藥卷時，一定要把藥卷的順序搞對，快速和中速的不能搞混；③按要求安裝完錨桿后，必須用預(yù)應(yīng)力扳手將錨桿托盤螺絲擰緊，使其緊貼巖面，達(dá)到預(yù)應(yīng)力值。
　　3 案例分析
　　錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案是一種全新的、結(jié)合了現(xiàn)代信息技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，它有效克服了其它設(shè)計(jì)方法中參數(shù)取值偏差大的缺點(diǎn)，步驟如下：①全面分析基礎(chǔ)地質(zhì)技術(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分為最佳條件及最差條件，通過工程類比的方法得出錨桿的初始參數(shù)；②不斷進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，獲得應(yīng)力、同巖、支護(hù)三者相互作用結(jié)果的綜合信息，包括對現(xiàn)場監(jiān)測錨桿的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)分析、現(xiàn)場施工過程中高應(yīng)力錨桿支護(hù)效果分析、高應(yīng)力錨桿支護(hù)滯后預(yù)緊效果分析，再與實(shí)際觀測信息進(jìn)行比較，評價支護(hù)效果；③依據(jù)支護(hù)效果評價，利用計(jì)算機(jī)重新調(diào)整巷道已掘進(jìn)部分設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)參數(shù)，形成支護(hù)反饋信息，結(jié)合調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)去指導(dǎo)預(yù)支護(hù)部分的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體流程詳見圖1。
　　3.1 西部某煤礦4202工作面錨桿支護(hù)試驗(yàn)
　　3.1.1 地質(zhì)概況
　　我國西部某煤礦4202工作面位于采區(qū)上部，上方為高80m的防水煤柱，而下方為4206總左面與采空區(qū)，東部采區(qū)邊界為斷層，西部則同另一礦區(qū)相連。在該工作面中，其長度為905m，傾斜度165m，煤層厚度平均8.2m，煤層偽頂為泥巖類型，厚度0.5m，土質(zhì)材質(zhì)而細(xì)砂巖以及粉砂巖，厚度分為為4.5m與5.2m，老頂土質(zhì)類型為中砂巖，厚度為12.2m。
　　3.1.2 數(shù)值模擬煤巷支護(hù)參數(shù)
　　根據(jù)已經(jīng)建立的模型，本文對軌道進(jìn)行了一定的模擬工作，其中。4202軌道錨桿支護(hù)所具有的參數(shù)為：頂板有菱形金屬網(wǎng)以及M型鋼帶作為支護(hù)，錨桿規(guī)格為？準(zhǔn)20*2100mm，錨桿預(yù)拉力2.5t、錨桿間距為1000mm、排距為1200mm，兩邊各有兩根無縱筋金屬螺紋鋼錨桿，且不具有金屬網(wǎng)，規(guī)格為？準(zhǔn)20*1600mm，錨桿排距為1000mm，錨桿間距為1200mm，其設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。
　　經(jīng)過數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到，巷道底角多具有最大壓力為11.37MPa，頂板中心最大拉力為7.07MPa，頂板兩幫移近量為144mm，頂板移近量為101mm，而在錨桿支護(hù)范圍之內(nèi)，無論是外部還是內(nèi)部都沒有出現(xiàn)離層，整個巷道具有著較為穩(wěn)定的特點(diǎn)。但對于拉應(yīng)力來說，其則會超出煤體抗拉強(qiáng)度，即在巷道頂板建設(shè)方面需要通過菱形金屬網(wǎng)以及M型鋼帶的應(yīng)用對其進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，以此對巷道所具有的穩(wěn)定性作出保障。
　　3.2 煤礦工作面錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)
　　3.2.1 地質(zhì)概況
　　原巖應(yīng)力：最大水平住應(yīng)力α1=14.14MPa，方位角N123°。，第二水平主應(yīng)力α2=7.81MPa，垂直主應(yīng)力α3=13.1MPa。巷道煤巖力學(xué)性質(zhì)為E底板=1.44×1010Pa，E頂板=1.44×1010Pa，E煤=6.9×109Pa，節(jié)理面法向剛度KN=1.9× 108Pa，節(jié)理面切向剛度KN=1.9×108Pa。巷道尺寸：寬高位4000×3000mm2，巷道支護(hù)形式為：頂板6根錨桿，兩幫各3根錨桿。巷道走向方向?yàn)镹35°。錨桿規(guī)格為；頂板？準(zhǔn)20×2500mm；兩幫？準(zhǔn)20×1800m。
　　3.2.2 模型計(jì)算
　　在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，本文再一次通過ANSYS軟件的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)值模擬工作，并獲得了以下結(jié)果：第一，當(dāng)錨桿間排距為0.7m、預(yù)應(yīng)力為2t的情況下，在巷道頂板以及內(nèi)基錨桿支護(hù)范圍都存在著較為明顯的離層，且巷道底板夾角處所具有的壓力為11.78MPa，頂板中點(diǎn)位置所具有的最大拉力為2.154MPa，頂板、底板所具有的移近量為282mm，而兩幫移近量為156mm。經(jīng)過對上述數(shù)據(jù)的計(jì)算與研究，可以發(fā)現(xiàn)，巷道頂?shù)装彘g所具有的離層距離較大，不能夠?qū)υ撓锏浪哂械姆€(wěn)定性進(jìn)行保證。
　　第二，當(dāng)錨桿排距0.7m、預(yù)應(yīng)力為6t時，巷道頂板中心位置所具有的最大拉力為2.12MPa，同預(yù)應(yīng)力2t數(shù)值比較來說，其在應(yīng)力的集中方面具有一定的下降，雖然其兩幫以及頂?shù)装逅哂械囊平繒哂幸欢ǖ臏p小，但在頂板位置依然具有少量的離層現(xiàn)象存在。
　　第三，錨桿預(yù)拉力為12t，間、排距為0.8m時，巷道頂板中點(diǎn)最大拉應(yīng)力為1.472MPa，底角最大壓應(yīng)力為1.252MPa。巷道周邊應(yīng)力集中程度明顯降低，頂?shù)装寮皟蓭偷囊平恳裁黠@減小，巷道頂板不出現(xiàn)離層現(xiàn)象，表明巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)；第四，錨桿預(yù)緊力6t，排距為0.6m時，巷道項(xiàng)板中點(diǎn)最大拉應(yīng)力為2.26MPa，底角最大壓應(yīng)力為11.73MPa，巷道周邊應(yīng)力略有降低，巷道周邊變形量較大，巷道不產(chǎn)生離層現(xiàn)象，表明巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。 　　在經(jīng)過上述情況、數(shù)據(jù)的分析之后，可以了解到，在4213巷道中，以頂板6根錨桿方式進(jìn)行支護(hù)的情況具有著較好的支護(hù)效果，所具有的支護(hù)形式也比較合理。
　　3.3 井下試驗(yàn)結(jié)果
　　在對井下巷道開展變形觀測工作后，可以看到4202工作面軌道順槽頂板所具有的最大下沉量為28mm，平均下沉量為17mm，而巷道兩幫移近量的最大97mm，平均移近量為78mm。而在此基礎(chǔ)上通過我們開展的觀測工作可以看出，巷道由于受到超前動壓影響，整個巷道在工作過程中具有著較好的運(yùn)行狀況，在整個觀測期間沒有發(fā)生片幫以及冒頂?shù)痊F(xiàn)象，對于巷道內(nèi)部行人、通風(fēng)以及貨物運(yùn)輸?shù)男枨蠖歼M(jìn)行了良好的滿足。
　　由此可以看到，這種兩節(jié)鐓頭式錨桿對于煤巷跨度較大的情況具有著較為適用的特點(diǎn)，且錨桿無論是在排距方面還是間距方面都相對較大，在施工施工中對于錨桿需求、以及應(yīng)用的數(shù)量要求都較少，非常適合快速安裝，且在此基礎(chǔ)上在對人、物資源進(jìn)行較好節(jié)約的基礎(chǔ)上能夠獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益（優(yōu)化設(shè)計(jì)效果詳見表1）。
　　結(jié)論
　　對于煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)來說，其對于以往的支護(hù)理論以及支護(hù)形式具有著較大的突破，不在是以較為消極的方式對圍巖壓力進(jìn)行承受，而是能夠在對圍巖穩(wěn)定性以及完整性進(jìn)行盡量保持的基礎(chǔ)上對圍巖力學(xué)形態(tài)變化進(jìn)行積極的控制。而在實(shí)際煤礦巷道支護(hù)工作開展中，也需要能夠?qū)υ摲N方式的良好運(yùn)用獲得更好的工作效果。