煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)淺析

我國(guó)煤巷支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、工字鋼架棚支護(hù)、U形鋼拱形可縮性支護(hù)和錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。與棚式支架支護(hù)相比，錨桿支護(hù)顯著提高了巷道支護(hù)效果，提高了支護(hù)速度，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到普遍應(yīng)用，是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可缺少的配套技術(shù)。
　　 一、煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)技術(shù)推廣的意義
　　 煤巷掘進(jìn)效率低、機(jī)械不能充分發(fā)揮作用，在很大程度上與配套能力低、配套不完善有關(guān)。巷道掘進(jìn)系統(tǒng)中的主要配套環(huán)節(jié)多、包括支護(hù)、轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸、供電、供水、通風(fēng)、降塵等，要提高煤巷掘進(jìn)效率、充分發(fā)揮機(jī)械化作用，必須提高設(shè)備綜合配套能力，使之進(jìn)一步完善。特別是支護(hù)和運(yùn)輸工作量大，占用時(shí)間多，必須解決好這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，才能充分發(fā)揮掘進(jìn)設(shè)備的潛力。在縮短支護(hù)時(shí)間方面，根據(jù)地質(zhì)條件，盡量采用錨桿支護(hù)，提高巷道支護(hù)效果，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，加快成巷掘進(jìn)速度。
　　 二、煤巷錨桿支護(hù)的相關(guān)理論及原則
　　目前錨桿支護(hù)理論有懸吊理論、組合梁理論和加固拱理論等。懸吊理論是最早的錨桿支護(hù)理論，特別是在頂板上部有穩(wěn)定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下，這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。其主要缺陷是僅考慮了錨桿的抗拉作用，沒(méi)有涉及其抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的提高。組合梁理論充分考慮了錨桿對(duì)巖層離層與滑動(dòng)的約束作用，適用于層狀巖層。該理論認(rèn)為，錨桿提供的軸向力將對(duì)巖層離層產(chǎn)生約束，并且增大了各巖層間的摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。加固拱理論認(rèn)為，即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)。只要錨桿間距足夠小，就能在巖體中產(chǎn)生一個(gè)均勻壓縮帶，它可以承受破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。
　　 煤巷錨桿支護(hù)工藝要遵循四個(gè)原則：一是提高單根錨桿與單根錨索的強(qiáng)度，在保證支護(hù)強(qiáng)度不低于原有支護(hù)強(qiáng)度和巷道安全的前提下，減小錨桿密度，降低單位面積上錨桿數(shù)量，從支護(hù)設(shè)計(jì)上提高成巷速度；二是提高錨固系統(tǒng)的整體剛度，增加錨固區(qū)抵抗變形的能力。充分發(fā)揮大扭矩錨桿及高預(yù)緊力錨索的支護(hù)作用；三是大幅度提高錨桿的預(yù)緊力，提高錨桿控制圍巖的早期擴(kuò)容與離層的能力，最大限度地保持錨固煤巖體的完整性和承載能力，避免圍巖產(chǎn)生較大的變形，使其強(qiáng)度過(guò)早、過(guò)快地降低。設(shè)計(jì)錨桿預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到其屈服強(qiáng)度的30％～40％；四是提高組合構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度。由于錨桿密度降低，錨桿間的距離增大。為了有效控制錨桿之問(wèn)煤巖的變形、松散、破壞，需要增加鋼帶的強(qiáng)度與剛度。
　　 三、煤巷錨桿支護(hù)的影響因素
　　 影響煤巷錨桿支護(hù)的主要因素有兩方面，一是錨桿的選擇，一是斷面選擇。錨桿選擇包括①錨桿種類(lèi)的選擇。錨桿種類(lèi)的選擇主要是錨桿的材質(zhì)、直徑、延伸素、讓壓性能、預(yù)緊力的選擇比較以及錨固劑的選擇。②錨桿的讓壓性能。深部高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)的成功與否與錨桿是否具有足夠的高位讓壓性能具有很大的關(guān)系。③錨桿的預(yù)緊力。較高的錨桿預(yù)緊力可以提供錨桿相應(yīng)的支護(hù)應(yīng)力，阻礙圍巖的變形。對(duì)于深部高應(yīng)力巷道的錨桿支護(hù)，施工扭矩為400--600N?m，可以提供30~70KN的預(yù)緊力。④錨固劑的選擇。由于目前高強(qiáng)錨桿的桿體直徑大都在22mm左右，甚至達(dá)到25mm，使用傳統(tǒng)的錨固劑進(jìn)行攪拌，是比較困難的，應(yīng)選用低黏度的錨固劑。初期高強(qiáng)讓壓錨桿的錨固劑應(yīng)盡量選擇兩塊，第一塊應(yīng)選擇快速或超快速錨固劑，保證錨桿的初期安裝應(yīng)力的迅速試驗(yàn)，第二塊應(yīng)選用中速或慢速錨固劑，保證錨桿的長(zhǎng)時(shí)錨固力。
　　對(duì)于深部高應(yīng)力巷道的錨桿支護(hù)，在進(jìn)行斷面選擇時(shí)，必須考慮巷道的服務(wù)年限和頂?shù)?
　　板生進(jìn)行慎重選擇。對(duì)于服務(wù)年限較長(zhǎng)的開(kāi)拓、準(zhǔn)備巷道，應(yīng)盡量選用承壓效果好的網(wǎng)弧拱
　　斷面。對(duì)于回采巷道，頂板完整性較好的巷道，可采用梯形斷面；復(fù)合頂板或破碎頂板的巷道，應(yīng)采用承壓性效果較好的斜切圓拱形斷面。斜切圓弧拱高一般為巷道寬度的2/5―1/4，斜切圓拱形巷道上肩窩部高度達(dá)到煤層頂板，巷道下幫墻高根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)控制中部高度實(shí)現(xiàn)拱高控制。
　　四、煤巷錨桿支護(hù)快速掘進(jìn)的技術(shù)手段
　　1、發(fā)展掘錨新機(jī)具
　　當(dāng)前煤巷快速掘進(jìn)的施工方法為：掘進(jìn)機(jī)割煤--橋式膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)和固定皮帶機(jī)運(yùn)煤--敲幫問(wèn)頂--頂錨桿機(jī)打頂眼并安裝、幫錨桿機(jī)打幫眼并安裝，實(shí)現(xiàn)一次成巷、及時(shí)支護(hù)。就目前的施工工藝而言，影響快速掘進(jìn)的主要因素有兩方面：一是掘進(jìn)機(jī)割煤速度；二是錨桿機(jī)打眼及安裝速度。要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，一方面要發(fā)展應(yīng)用大功率掘進(jìn)機(jī)，如EBZ230型；另一方面要研制新型錨桿鉆機(jī)?，F(xiàn)在澳大利亞液壓工程公司生產(chǎn)的機(jī)載錨桿機(jī)，擁有AR04000系列頂錨桿鉆機(jī)、AR05500系列幫錨桿鉆機(jī)等型號(hào)，可安裝在任何型號(hào)掘進(jìn)機(jī)上，以掘進(jìn)機(jī)自身液壓系統(tǒng)為動(dòng)力，具有安全、高效、準(zhǔn)確、快速、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)頂幫錨桿的快速安裝。它將是我國(guó)煤巷快速掘進(jìn)的又一發(fā)展方向。
　　 2、發(fā)展聯(lián)合支護(hù)形式擴(kuò)大應(yīng)用范圍
　　穩(wěn)定的圍巖采用單一的錨桿支護(hù)是可行的，但是在受到動(dòng)壓影響，處于軟巖層中，圍巖容易變形、地層壓力大的不穩(wěn)定圍巖，則必須采用不同的錨桿聯(lián)合支護(hù)。不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的Ⅳ--V類(lèi)巷道。這類(lèi)巷道的特點(diǎn)是圍巖破壞范圍和變形量大，除錨桿支護(hù)配合菱形網(wǎng)支護(hù)外，還應(yīng)采取縮小錨桿間排距、配合錨索梁加固、架棚、頂板注漿等特殊手段加強(qiáng)支護(hù)。另外，在跨度較大的巷道交岔點(diǎn)、硐室、切眼開(kāi)門(mén)口和地質(zhì)構(gòu)造破碎帶，單純的錨桿支護(hù)不足以維護(hù)巷道穩(wěn)定，還須用上述手段輔助加強(qiáng)支護(hù)。如果這些問(wèn)題得以解決，就可以把錨桿支護(hù)作為唯一的頂板支護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)錨桿化，進(jìn)一步提高巷道的掘進(jìn)速度。
　　3、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)
　　支護(hù)設(shè)計(jì)以往主要是依據(jù)懸吊理論、組合拱理論或擠壓加固理論，采用工程類(lèi)比法和計(jì)算公式法。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，就一種方法或一個(gè)公式不能給出合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。為解決這一難題，采用以地應(yīng)力為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，并在此基礎(chǔ)上建立計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的專(zhuān)家系統(tǒng)。該方法主要內(nèi)容為“地質(zhì)力學(xué)評(píng)估----數(shù)值模擬初始設(shè)計(jì)----現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)----利用反饋信息修改設(shè)計(jì)”。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)非常關(guān)鍵，監(jiān)測(cè)取得的數(shù)據(jù)是作為二次修改設(shè)計(jì)的依據(jù)，修改設(shè)計(jì)后再應(yīng)用于實(shí)踐。只有經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)，才能使錨桿支護(hù)更為經(jīng)濟(jì)、合理。在選定設(shè)計(jì)方法之后，還要根據(jù)不同的頂板巖性及地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為快速掘進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)。
　　 4、進(jìn)一步改進(jìn)支護(hù)材料
　　錨桿可以采用lV級(jí)錨桿專(zhuān)用螺紋鋼加工而成的高性能錨桿，抗破斷強(qiáng)度更高，支護(hù)剛度更大，限制變形更加有力，針對(duì)巷道急劇膨脹擴(kuò)容產(chǎn)生的高應(yīng)力控制效果會(huì)更有效。錨桿采用新型大托盤(pán)(尺寸為200×200mm)、錨索采用400×400mm的大托盤(pán)，增大護(hù)表面積，減輕目前所用的普通小托盤(pán)與圍巖局部小面積接觸而產(chǎn)生的點(diǎn)載荷作用，防止圍巖擠壓破損，對(duì)松散層裂破碎巖體起到較好的維護(hù)效果。新型阻尼螺母能提供較大扭矩，與高性能預(yù)拉力錨桿配套，提高錨桿安裝過(guò)程的可靠性，保證支護(hù)系統(tǒng)整體安全可靠。采用MOS--90J2型氣扳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)錨桿8--10t的高預(yù)緊力，有效增加錨桿對(duì)巷道圍巖支護(hù)初期的控制作用，提升錨桿支護(hù)的作用級(jí)別。
　　 5、加強(qiáng)錨桿支護(hù)人員培訓(xùn)
　　 人是一切工作計(jì)劃的制定者和執(zhí)行者，無(wú)論從結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量上乘的錨桿到性能優(yōu)良的錨固劑，還是從靈活高效的錨桿鉆裝機(jī)具到靈敏精密的監(jiān)測(cè)儀器儀表，都需要人來(lái)操作。我國(guó)煤礦施工隊(duì)伍人員素質(zhì)偏低，加上監(jiān)督管理不到位，往往施工質(zhì)量難以保證。因此，重視和加強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)人員和施工工人的技術(shù)培訓(xùn)和崗位訓(xùn)練，必然有助于我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和錨桿支護(hù)的普及。
　　 總之，錨桿支護(hù)作為一種有效的采準(zhǔn)巷道支護(hù)方式，對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化作用，可顯著提高圍巖的穩(wěn)定性，具有支護(hù)成本較低、成巷速度快、明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等優(yōu)點(diǎn)，可提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益，因而成為煤礦企業(yè)礦井巷道的一種主要支護(hù)形式，代表了煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的主要發(fā)展方向。