煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工技術(shù)研究

摘 要：為提高煤礦掘進(jìn)巷道的安全性，本文對煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)煤礦巷道煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算結(jié)果，完成煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)鉆孔定位，使用噴射設(shè)備將混凝土料均勻地噴射到錨桿孔內(nèi)和巷道頂板上，完成煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工。測試結(jié)果表明，在煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工方案下，總體兩幫變形量最大值為387mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?81mm，皆小于工程要求閾值，證明煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工技術(shù)可以形成有效的三向作用應(yīng)力，改變圍巖的受力狀況，提高巖體的整體承載能力。

關(guān)鍵詞：煤礦；掘進(jìn)巷道；復(fù)合頂板；錨桿支護(hù)

中圖分類號：TD 353 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展和煤炭需求的日益增長，煤礦掘進(jìn)巷道的穩(wěn)定性和安全性問題日益凸顯[1]。在煤礦掘進(jìn)過程中，巷道頂板作為關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響礦工的生命安全和煤礦狀態(tài)。在復(fù)合頂板條件下，由于煤層強(qiáng)度低、頂板容易發(fā)生冒落等現(xiàn)象，使巷道掘進(jìn)和支護(hù)問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，很多學(xué)者對煤礦掘進(jìn)巷道保護(hù)問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]中使用型鋼支護(hù)技術(shù)對煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板進(jìn)行了支護(hù)施工，型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠承受較大的荷載。但與其他支護(hù)材料相比，型鋼的成本較高。文獻(xiàn)[3]則使用錨索支護(hù)對煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板進(jìn)行了支護(hù)施工，該方法具有較大的錨固深度和承載能力，將頂板與巖層緊密連接，提供強(qiáng)大的支撐力，保證巷道的穩(wěn)定性和保障安全性。但錨索支護(hù)在后期維護(hù)過程中會產(chǎn)生錨索銹蝕、松動等問題。

針對以上問題，本文用錨桿將不穩(wěn)定的頂板巖層或可能掉落的巖層懸吊在堅(jiān)固的老巖層上，可以有效地防止頂板冒落和巷道坍塌，加固已經(jīng)松動的巖層，提高頂板巖層的抗彎強(qiáng)度，從而保證巷道的穩(wěn)定性和保障安全性。

1 實(shí)例分析

1.1 工程概況

以某煤礦二采區(qū)的一條重要運(yùn)輸巷道為例，該巷道位于煤層埋藏較深的區(qū)域，頂板為復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)，巖石破碎且穩(wěn)定性差[4]。在掘進(jìn)過程中，巷道頂板出現(xiàn)了不同程度冒落和變形，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和煤礦的安全生產(chǎn)。為了解決這個(gè)問題，該煤礦決定采用錨桿支護(hù)技術(shù)對復(fù)合頂板進(jìn)行支護(hù)施工。

研究對該區(qū)地質(zhì)進(jìn)行了分析，此地區(qū)標(biāo)高為-586.3m～-501.8m，煤層的賦存穩(wěn)定，多為黑色塊狀煤體煤炭，整體呈現(xiàn)玻璃光澤，偶有粉末狀煤炭。由于煤層結(jié)構(gòu)簡單，預(yù)計(jì)掘進(jìn)工作面的煤層正常平均傾斜角為6°，平均厚度為5.2m，繪制煤層底板柱狀圖如圖1所示。

1.2 煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工方法設(shè)計(jì)

1.2.1 計(jì)算煤礦巷道煤柱留設(shè)寬度

在煤礦掘進(jìn)巷道工作面回采的過程中，為了保證其巖塊相互鉸接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工前，需要對煤礦巷道煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算，為后續(xù)支護(hù)定位提供數(shù)據(jù)支撐[5]。以巖塊的斷裂位置為劃分依據(jù)，將煤柱上方的區(qū)域分為低應(yīng)力和高應(yīng)力兩個(gè)區(qū)域[6]，獲取低應(yīng)力區(qū)的寬度。煤柱寬度與巷道寬度之和應(yīng)小于低地應(yīng)力區(qū)寬度，否則在礦壓顯現(xiàn)作用下極易發(fā)生危險(xiǎn)。因此須根據(jù)低應(yīng)力區(qū)的寬度估算煤柱寬度最小的閾值。然而，除了上述數(shù)據(jù)的影響外，煤柱寬度還受到柱的強(qiáng)度、巷道圍巖的穩(wěn)定性等因素影響[7]，因此，在計(jì)算煤礦巷道煤柱留設(shè)寬度的過程中，需要根據(jù)極限平衡理論，將錨桿的有效長度、上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)寬度等因素和上述數(shù)據(jù)相結(jié)合，以此完成煤柱寬度計(jì)算。

1.2.2 定位煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)鉆孔

當(dāng)對煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)進(jìn)行鉆孔定位時(shí)，需要對地勘資料以及現(xiàn)場情況進(jìn)行細(xì)致分析，確定地下水位高度、煤礦掘進(jìn)巷道巖質(zhì)巖層以及各個(gè)方向應(yīng)力情況。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合煤礦掘進(jìn)巷道的巖層粘結(jié)強(qiáng)度，計(jì)算錨桿的錨固段長度。

根據(jù)錨固段長度計(jì)算錨桿預(yù)應(yīng)力鋼截面面積，使用全站儀進(jìn)行測量放線，并將結(jié)果標(biāo)定在巷道內(nèi)。為使每個(gè)復(fù)合頂板的錨桿支護(hù)鉆孔在穩(wěn)定區(qū)域，規(guī)避不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，需要根據(jù)已標(biāo)定的煤柱寬度和巷道輪廓線，對每個(gè)擬定的錨桿孔位進(jìn)行仔細(xì)分析和評估。

如果某個(gè)鉆孔的位置在評估的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，那么就需要根據(jù)地質(zhì)條件、圍巖穩(wěn)定性以及錨桿支護(hù)方案等綜合因素對此處進(jìn)行鉆孔定位[8]，重新進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整。當(dāng)重新定位時(shí)，需要保證新的鉆孔位置既能滿足支護(hù)需求，又能有效規(guī)避不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。在重新定位計(jì)算后，必須多次使用全站儀對新的鉆孔位置進(jìn)行測量對比，完成復(fù)核工作，以此保證所有新的鉆孔位置都準(zhǔn)確無誤。

當(dāng)所有錨桿支護(hù)鉆孔的定位都經(jīng)過重新計(jì)算和復(fù)核，并全部符合安全規(guī)范后，根據(jù)錨桿支護(hù)方案，沿已標(biāo)定的基準(zhǔn)線，使用鋼尺、測繩等工具測量并精確標(biāo)定每個(gè)錨桿孔的具體位置。

1.2.3 鉆進(jìn)安裝錨桿

在煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)鉆進(jìn)施工中，需要根據(jù)確定的煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)鉆孔定位進(jìn)行施工。施工前需要對錨桿鉆進(jìn)工作設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)備，具體設(shè)備參數(shù)見表1。

在確定孔的排布且鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度調(diào)整妥當(dāng)后，即可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行錨桿鉆進(jìn)。在保證鉆機(jī)已經(jīng)穩(wěn)定地放置在工作臺上，且電源和液壓系統(tǒng)已經(jīng)正確接通后，技術(shù)人員需要將鉆頭對準(zhǔn)預(yù)設(shè)的鉆孔位置，保持0.5m/min的均勻鉆進(jìn)速度和60r/min的轉(zhuǎn)速向前鉆進(jìn)。在鉆孔過程中，需要保持鉆機(jī)穩(wěn)定，避免超深鉆孔或鉆孔偏斜。同時(shí)，要不斷地清理孔內(nèi)的泥土和巖屑，保持孔內(nèi)清潔，防止孔壁塌方。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，開始進(jìn)行反方向旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)過程中，葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)受到土體的阻力而張開，隨著鉆頭退出，同時(shí)進(jìn)行清孔工作。使用空氣將孔內(nèi)的殘?jiān)湍嗨疂{清理干凈，保證孔內(nèi)無雜物。在清孔完畢后，可以開始注漿作業(yè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將注漿材料充分?jǐn)嚢韬蟮谷肟變?nèi)。在注漿過程中，要保證注漿量均勻，不產(chǎn)生氣泡，同時(shí)需要注意注漿速度和壓力控制，保證注漿質(zhì)量。

在注漿結(jié)束后，需要將預(yù)先準(zhǔn)備好的金屬錨桿垂直插入孔內(nèi)，保證錨桿與孔壁緊密貼合，實(shí)時(shí)監(jiān)測錨桿的變形和應(yīng)力情況，保證錨桿的穩(wěn)定性。同時(shí)使用專用的張拉設(shè)備對錨桿施加預(yù)壓力，實(shí)時(shí)監(jiān)測錨桿的變形和應(yīng)力情況，保證張拉效果符合要求。在滿足上述條件后，等待一定的時(shí)間再進(jìn)行固化，使錨桿與圍巖充分結(jié)合。

1.2.4 拌制噴射混凝土料

在安裝固化錨桿工作結(jié)束后，需要重新拌制混凝土料，并進(jìn)行噴射，使噴射混凝土與受噴面緊密貼合，形成一層強(qiáng)有力的保護(hù)層，為受噴表面提供抗力，從而形成三向受力的有力狀態(tài)。此處的混凝土不能直接使用上文的注漿混凝土，需要按照一定的配合比重新進(jìn)行配置，三次噴射的混凝土料配合比見表2，要保證拌制噴射混凝土料的摩擦應(yīng)力，使煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)效果達(dá)標(biāo)。

由于施工條件限制，調(diào)配好的噴射混凝土料無法長期存放[9]。因此為了保證混凝土在噴射過程中的性能，需要加入適量的速凝劑。在拌制混凝土料結(jié)束后，需要對巷道斷面的和巖壁的平整度和穩(wěn)定性進(jìn)行檢查修整，保證混凝土能夠緊密地附著在巖壁上。噴射混凝土?xí)r必須對巷道斷面的和巖層的平整度和可靠性進(jìn)行檢查和修理，保證水泥可以牢固地粘貼在巖層表面。在噴灑水泥前必須預(yù)先控制風(fēng)力和水量，保證平均風(fēng)壓始終不小于0.4MPa，沖刷巖面時(shí)應(yīng)遵循自上而下的順序。初次噴灑的水泥要把噴灑后的厚度控制在3000mm以內(nèi)，在保證供電平穩(wěn)的條件下，啟動噴漿施工機(jī)械、上料、噴漿，沖孔后還須根據(jù)情況詳細(xì)調(diào)節(jié)風(fēng)力和水量，保證噴面不產(chǎn)生干斑和滲透情況。對巖面存在明顯凹陷的位置來說，需要優(yōu)先噴射填平。噴層完成后，應(yīng)對其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，避免出現(xiàn)漏網(wǎng)、干裂脫皮等質(zhì)量問題。同時(shí)，為保證混凝土的強(qiáng)度和耐久性，養(yǎng)護(hù)工作也至關(guān)重要。在養(yǎng)護(hù)期間，須由專人每天進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期應(yīng)達(dá)到28天以上。

2 試驗(yàn)

2.1 錨桿支護(hù)施工材料及參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件以及煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板支撐需求，本文進(jìn)行了煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工。錨桿支護(hù)施工選擇的材料見表3。

在施工完成后，隨機(jī)抽取5個(gè)觀察點(diǎn)，對圍巖位移量進(jìn)行觀測統(tǒng)計(jì)，5個(gè)觀測點(diǎn)要求覆蓋全部的支護(hù)位置。同時(shí)抽取最中間的觀測點(diǎn)，對其位移變形觀測6個(gè)月。

2.2 支護(hù)施工結(jié)果分析

根據(jù)觀察巷道周邊圍巖未出現(xiàn)拉破壞單元，將5個(gè)觀察點(diǎn)的圍巖位移量觀測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，見表4。

根據(jù)表4可知，本工程在煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工方案下，總體兩幫變形量最大值為387mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?81mm，均小于工程要求的兩幫變形量最大值400mm和頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾?00mm。

繪制最中間的觀測點(diǎn)6個(gè)月的位移變形曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在挖掘進(jìn)度強(qiáng)烈影響期的1個(gè)月后，中心觀察點(diǎn)的圍巖位移量逐漸趨于平穩(wěn)，頂板月平均下沉量為20mm，符合工程需求，其余非采煤幫變形量、采煤幫變形量和底板底鼓量也可以保持在工程安全需求范圍內(nèi)。證明應(yīng)用本文的煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工技術(shù)在煤巷頂板上安置錨桿，可以減少頂板之間的跨度和頂板的下沉力，利用錨桿的抗剪切能力，可以阻止圍巖進(jìn)一步離層，防止巖層產(chǎn)生更大的相對位移，提高頂板巖層的穩(wěn)固性。同時(shí)，由于錨桿支護(hù)所需要的金屬材料價(jià)格相對較低，因此可以降低支護(hù)材料的成本，為煤礦的安全生產(chǎn)提供有力保障。

3 結(jié)語

在煤礦掘進(jìn)巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)施工技術(shù)的研究中，通過大量實(shí)踐應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析，證明錨桿支護(hù)技術(shù)不僅能夠有效地控制巷道圍巖的變形問題，保障煤礦的安全生產(chǎn)，同時(shí)還能夠根據(jù)不同情況進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以極高的靈活性和適應(yīng)性優(yōu)勢降低支護(hù)成本，提高施工效率，降低工人的勞動強(qiáng)度。隨著科技的發(fā)展，新型高強(qiáng)度、耐腐蝕材料的研究與應(yīng)用將成為未來錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的重要方向。應(yīng)用新型材料可以提高錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力、延長使用壽命、減少維護(hù)費(fèi)用，提高煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

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