煤巷錨桿支護快速掘進技術淺析

我國煤巷支護經歷了木支護、工字鋼架棚支護、U形鋼拱形可縮性支護和錨桿支護技術的發(fā)展過程。與棚式支架支護相比，錨桿支護顯著提高了巷道支護效果，提高了支護速度，減輕了工人勞動強度。目前，煤巷錨桿支護技術已在國內外得到普遍應用，是煤礦實現高產高效生產必不可缺少的配套技術。
　　 一、煤巷錨桿支護快速掘進技術推廣的意義
　　 煤巷掘進效率低、機械不能充分發(fā)揮作用，在很大程度上與配套能力低、配套不完善有關。巷道掘進系統(tǒng)中的主要配套環(huán)節(jié)多、包括支護、轉載、運輸、供電、供水、通風、降塵等，要提高煤巷掘進效率、充分發(fā)揮機械化作用，必須提高設備綜合配套能力，使之進一步完善。特別是支護和運輸工作量大，占用時間多，必須解決好這兩個關鍵環(huán)節(jié)，才能充分發(fā)揮掘進設備的潛力。在縮短支護時間方面，根據地質條件，盡量采用錨桿支護，提高巷道支護效果，減輕工人勞動強度，加快成巷掘進速度。
　　 二、煤巷錨桿支護的相關理論及原則
　　目前錨桿支護理論有懸吊理論、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，這種支護理論應用比較廣泛。其主要缺陷是僅考慮了錨桿的抗拉作用，沒有涉及其抗剪能力及對破碎巖層整體強度的提高。組合梁理論充分考慮了錨桿對巖層離層與滑動的約束作用，適用于層狀巖層。該理論認為，錨桿提供的軸向力將對巖層離層產生約束，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生相對滑動。加固拱理論認為，即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個承載結構。只要錨桿間距足夠小，就能在巖體中產生一個均勻壓縮帶，它可以承受破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。
　　 煤巷錨桿支護工藝要遵循四個原則：一是提高單根錨桿與單根錨索的強度，在保證支護強度不低于原有支護強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量，從支護設計上提高成巷速度；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緊力錨索的支護作用；三是大幅度提高錨桿的預緊力，提高錨桿控制圍巖的早期擴容與離層的能力，最大限度地保持錨固煤巖體的完整性和承載能力，避免圍巖產生較大的變形，使其強度過早、過快地降低。設計錨桿預緊力應達到其屈服強度的30％～40％；四是提高組合構件的強度與剛度。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煤巖的變形、松散、破壞，需要增加鋼帶的強度與剛度。
　　 三、煤巷錨桿支護的影響因素
　　 影響煤巷錨桿支護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錨桿種類的選擇。錨桿種類的選擇主要是錨桿的材質、直徑、延伸素、讓壓性能、預緊力的選擇比較以及錨固劑的選擇。②錨桿的讓壓性能。深部高應力巷道錨桿支護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系。③錨桿的預緊力。較高的錨桿預緊力可以提供錨桿相應的支護應力，阻礙圍巖的變形。對于深部高應力巷道的錨桿支護，施工扭矩為400--600N?m，可以提供30~70KN的預緊力。④錨固劑的選擇。由于目前高強錨桿的桿體直徑大都在22mm左右，甚至達到25mm，使用傳統(tǒng)的錨固劑進行攪拌，是比較困難的，應選用低黏度的錨固劑。初期高強讓壓錨桿的錨固劑應盡量選擇兩塊，第一塊應選擇快速或超快速錨固劑，保證錨桿的初期安裝應力的迅速試驗，第二塊應選用中速或慢速錨固劑，保證錨桿的長時錨固力。
　　對于深部高應力巷道的錨桿支護，在進行斷面選擇時，必須考慮巷道的服務年限和頂底
　　板生進行慎重選擇。對于服務年限較長的開拓、準備巷道，應盡量選用承壓效果好的網弧拱
　　斷面。對于回采巷道，頂板完整性較好的巷道，可采用梯形斷面；復合頂板或破碎頂板的巷道，應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到煤層頂板，巷道下幫墻高根據設計要求進行設計，掘進過程中通過控制中部高度實現拱高控制。
　　四、煤巷錨桿支護快速掘進的技術手段
　　1、發(fā)展掘錨新機具
　　當前煤巷快速掘進的施工方法為：掘進機割煤--橋式膠帶轉載機和固定皮帶機運煤--敲幫問頂--頂錨桿機打頂眼并安裝、幫錨桿機打幫眼并安裝，實現一次成巷、及時支護。就目前的施工工藝而言，影響快速掘進的主要因素有兩方面：一是掘進機割煤速度；二是錨桿機打眼及安裝速度。要實現快速掘進，一方面要發(fā)展應用大功率掘進機，如EBZ230型；另一方面要研制新型錨桿鉆機?，F在澳大利亞液壓工程公司生產的機載錨桿機，擁有AR04000系列頂錨桿鉆機、AR05500系列幫錨桿鉆機等型號，可安裝在任何型號掘進機上，以掘進機自身液壓系統(tǒng)為動力，具有安全、高效、準確、快速、使用壽命長等優(yōu)點，能夠實現頂幫錨桿的快速安裝。它將是我國煤巷快速掘進的又一發(fā)展方向。
　　 2、發(fā)展聯(lián)合支護形式擴大應用范圍
　　穩(wěn)定的圍巖采用單一的錨桿支護是可行的，但是在受到動壓影響，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。不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的Ⅳ--V類巷道。這類巷道的特點是圍巖破壞范圍和變形量大，除錨桿支護配合菱形網支護外，還應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支護。另外，在跨度較大的巷道交岔點、硐室、切眼開門口和地質構造破碎帶，單純的錨桿支護不足以維護巷道穩(wěn)定，還須用上述手段輔助加強支護。如果這些問題得以解決，就可以把錨桿支護作為唯一的頂板支護方式，實現巷道支護錨桿化，進一步提高巷道的掘進速度。
　　3、改進設計方法優(yōu)化設計參數
　　支護設計以往主要是依據懸吊理論、組合拱理論或擠壓加固理論，采用工程類比法和計算公式法。但由于地質條件的復雜性，就一種方法或一個公式不能給出合理的設計參數。為解決這一難題，采用以地應力為基礎的動態(tài)設計法，并在此基礎上建立計算機輔助設計的專家系統(tǒng)。該方法主要內容為“地質力學評估----數值模擬初始設計----現場監(jiān)測----利用反饋信息修改設計”?，F場監(jiān)測非常關鍵，監(jiān)測取得的數據是作為二次修改設計的依據，修改設計后再應用于實踐。只有經過不斷地改進支護設計，才能使錨桿支護更為經濟、合理。在選定設計方法之后，還要根據不同的頂板巖性及地質構造特點，優(yōu)化設計參數，為快速掘進提供技術依據。
　　 4、進一步改進支護材料
　　錨桿可以采用lV級錨桿專用螺紋鋼加工而成的高性能錨桿，抗破斷強度更高，支護剛度更大，限制變形更加有力，針對巷道急劇膨脹擴容產生的高應力控制效果會更有效。錨桿采用新型大托盤(尺寸為200×200mm)、錨索采用400×400mm的大托盤，增大護表面積，減輕目前所用的普通小托盤與圍巖局部小面積接觸而產生的點載荷作用，防止圍巖擠壓破損，對松散層裂破碎巖體起到較好的維護效果。新型阻尼螺母能提供較大扭矩，與高性能預拉力錨桿配套，提高錨桿安裝過程的可靠性，保證支護系統(tǒng)整體安全可靠。采用MOS--90J2型氣扳機可以實現錨桿8--10t的高預緊力，有效增加錨桿對巷道圍巖支護初期的控制作用，提升錨桿支護的作用級別。
　　 5、加強錨桿支護人員培訓
　　 人是一切工作計劃的制定者和執(zhí)行者，無論從結構合理、質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具到靈敏精密的監(jiān)測儀器儀表，都需要人來操作。我國煤礦施工隊伍人員素質偏低，加上監(jiān)督管理不到位，往往施工質量難以保證。因此，重視和加強錨桿支護技術人員和施工工人的技術培訓和崗位訓練，必然有助于我國煤礦錨桿支護技術的發(fā)展和錨桿支護的普及。
　　 總之，錨桿支護作為一種有效的采準巷道支護方式，對巷道圍巖強度的強化作用，可顯著提高圍巖的穩(wěn)定性，具有支護成本較低、成巷速度快、明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產條件等優(yōu)點，可提高礦井的經濟效益，因而成為煤礦企業(yè)礦井巷道的一種主要支護形式，代表了煤礦巷道支護技術的主要發(fā)展方向。