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煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术研究

2024-12-28 60 上传者：管理员

摘要：为提高煤矿掘进巷道的安全性，本文对煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术进行研究。根据煤矿巷道煤柱留设宽度的计算结果，完成煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护钻孔定位，使用喷射设备将混凝土料均匀地喷射到锚杆孔内和巷道顶板上，完成煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工。测试结果表明，在煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工方案下，总体两帮变形量最大值为387mm，顶底板变形量最大值为281mm，皆小于工程要求阈值，证明煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术可以形成有效的三向作用应力，改变围岩的受力状况，提高岩体的整体承载能力。

关键词：
复合顶板
掘进巷道
煤炭需求
煤矿
锚杆支护
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随着煤矿开采技术的不断发展和煤炭需求的日益增长，煤矿掘进巷道的稳定性和安全性问题日益凸显[1]。在煤矿掘进过程中，巷道顶板作为关键支撑结构，其稳定性和可靠性直接影响矿工的生命安全和煤矿状态。在复合顶板条件下，由于煤层强度低、顶板容易发生冒落等现象，使巷道掘进和支护问题面临严峻挑战。因此，很多学者对煤矿掘进巷道保护问题进行了研究。文献[2]中使用型钢支护技术对煤矿掘进巷道复合顶板进行了支护施工，型钢支护结构具有较高的强度和稳定性，能够承受较大的荷载。但与其他支护材料相比，型钢的成本较高。文献[3]则使用锚索支护对煤矿掘进巷道复合顶板进行了支护施工，该方法具有较大的锚固深度和承载能力，将顶板与岩层紧密连接，提供强大的支撑力，保证巷道的稳定性和保障安全性。但锚索支护在后期维护过程中会产生锚索锈蚀、松动等问题。针对以上问题，本文用锚杆将不稳定的顶板岩层或可能掉落的岩层悬吊在坚固的老岩层上，可以有效地防止顶板冒落和巷道坍塌，加固已经松动的岩层，提高顶板岩层的抗弯强度，从而保证巷道的稳定性和保障安全性。

1、实例分析

1.1工程概况

以某煤矿二采区的一条重要运输巷道为例，该巷道位于煤层埋藏较深的区域，顶板为复合顶板结构，岩石破碎且稳定性差[4]。在掘进过程中，巷道顶板出现了不同程度冒落和变形，严重影响了巷道的正常使用和煤矿的安全生产。为了解决这个问题，该煤矿决定采用锚杆支护技术对复合顶板进行支护施工。研究对该区地质进行了分析，此地区标高为-586.3m~-501.8m，煤层的赋存稳定，多为黑色块状煤体煤炭，整体呈现玻璃光泽，偶有粉末状煤炭。由于煤层结构简单，预计掘进工作面的煤层正常平均倾斜角为6°，平均厚度为5.2m，绘制煤层底板柱状图如图1所示。

1.2煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工方法设计

1.2.1计算煤矿巷道煤柱留设宽度

在煤矿掘进巷道工作面回采的过程中，为了保证其岩块相互铰接，结构稳定，在复合顶板锚杆支护施工前，需要对煤矿巷道煤柱留设宽度进行计算，为后续支护定位提供数据支撑[5]。以岩块的断裂位置为划分依据，将煤柱上方的区域分为低应力和高应力两个区域[6]，获取低应力区的宽度。煤柱宽度与巷道宽度之和应小于低地应力区宽度，否则在矿压显现作用下极易发生危险。因此须根据低应力区的宽度估算煤柱宽度最小的阈值。然而，除了上述数据的影响外，煤柱宽度还受到柱的强度、巷道围岩的稳定性等因素影响[7]，因此，在计算煤矿巷道煤柱留设宽度的过程中，需要根据极限平衡理论，将锚杆的有效长度、上区段工作面开采在煤柱中煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术研究中国新技术新产品- 109 -工程技术产生的塑性破坏区宽度等因素和上述数据相结合，以此完成煤柱宽度计算。

1.2.2定位煤矿

掘进巷道复合顶板锚杆支护钻孔当对煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护进行钻孔定位时，需要对地勘资料以及现场情况进行细致分析，确定地下水位高度、煤矿掘进巷道岩质岩层以及各个方向应力情况。根据设计规范，结合煤矿掘进巷道的岩层粘结强度，计算锚杆的锚固段长度。根据锚固段长度计算锚杆预应力钢截面面积，使用全站仪进行测量放线，并将结果标定在巷道内。为使每个复合顶板的锚杆支护钻孔在稳定区域，规避不稳定风险，需要根据已标定的煤柱宽度和巷道轮廓线，对每个拟定的锚杆孔位进行仔细分析和评估。如果某个钻孔的位置在评估的不稳定区域内，那么就需要根据地质条件、围岩稳定性以及锚杆支护方案等综合因素对此处进行钻孔定位[8]，重新进行计算和调整。当重新定位时，需要保证新的钻孔位置既能满足支护需求，又能有效规避不稳定风险。在重新定位计算后，必须多次使用全站仪对新的钻孔位置进行测量对比，完成复核工作，以此保证所有新的钻孔位置都准确无误。当所有锚杆支护钻孔的定位都经过重新计算和复核，并全部符合安全规范后，根据锚杆支护方案，沿已标定的基准线，使用钢尺、测绳等工具测量并精确标定每个锚杆孔的具体位置。

1.2.3钻进安装锚杆

在煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护钻进施工中，需要根据确定的煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护钻孔定位进行施工。施工前需要对锚杆钻进工作设备进行准备，具体设备参数见表1。

在确定孔的排布且钻机的钻进角度调整妥当后，即可根据设计要求进行锚杆钻进。在保证钻机已经稳定地放置在工作台上，且电源和液压系统已经正确接通后，技术人员需要将钻头对准预设的钻孔位置，保持0.5m/min的均匀钻进速度和60r/min的转速向前钻进。在钻孔过程中，需要保持钻机稳定，避免超深钻孔或钻孔偏斜。同时，要不断地清理孔内的泥土和岩屑，保持孔内清洁，防止孔壁塌方。当钻头钻进到设计位置时，开始进行反方向旋转。在这个过程中，叶片逆时针旋转时受到土体的阻力而张开，随着钻头退出，同时进行清孔工作。使用空气将孔内的残渣和泥水浆清理干净，保证孔内无杂物。在清孔完毕后，可以开始注浆作业。根据设计要求，将注浆材料充分搅拌后倒入孔内。在注浆过程中，要保证注浆量均匀，不产生气泡，同时需要注意注浆速度和压力控制，保证注浆质量。

表1锚杆钻机参数设备

在注浆结束后，需要将预先准备好的金属锚杆垂直插入孔内，保证锚杆与孔壁紧密贴合，实时监测锚杆的变形和应力情况，保证锚杆的稳定性。同时使用专用的张拉设备对锚杆施加预压力，实时监测锚杆的变形和应力情况，保证张拉效果符合要求。在满足上述条件后，等待一定的时间再进行固化，使锚杆与围岩充分结合。

1.2.4拌制喷射混凝土料

在安装固化锚杆工作结束后，需要重新拌制混凝土料，并进行喷射，使喷射混凝土与受喷面紧密贴合，形成一层强有力的保护层，为受喷表面提供抗力，从而形成三向受力的有力状态。此处的混凝土不能直接使用上文的注浆混凝土，需要按照一定的配合比重新进行配置，三次喷射的混凝土料配合比见表2，要保证拌制喷射混凝土料的摩擦应力，使煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护效果达标。

表2三次喷射的混凝土料配合比拌制批次

由于施工条件限制，调配好的喷射混凝土料无法长期存放[9]。因此为了保证混凝土在喷射过程中的性能，需要加入适量的速凝剂。在拌制混凝土料结束后，需要对巷道断面的和岩壁的平整度和稳定性进行检查修整，保证混凝土能够紧密地附着在岩壁上。喷射混凝土时必须对巷道断面的和岩层的平整度和可靠性进行检查和修理，保证水泥可以牢固地粘贴在岩层表面。在喷洒水泥前必须预先控制风力和水量，保证平均风压始终不小于0.4MPa，冲刷岩面时应遵循自上而下的顺序。初次喷洒的水泥要把喷洒后的厚度控制在3000mm以内，在保证供电平稳的条件下，启动喷浆施工机械、上料、喷浆，冲孔后还须根据情况详细调节风力和水量，保证喷面不产生干斑和渗透情况。对岩面存在明显凹陷的位置来说，需要优先喷射填平。喷层完成后，应对其质量进行严格检查，避免出现漏网、干裂脱皮等质量问题。同时，为保证混凝土的强度和耐久性，养护工作也至关重要。在养护期间，须由专人每天进行洒水养护，养护周期应达到28天以上。

2、试验

2.1锚杆支护施工材料及参数

根据地质条件以及煤矿掘进巷道复合顶板支撑需求，本文进行了煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工。锚杆支护施工选择的材料见表3。

表3锚杆支护施工材料及参数材料类别

在施工完成后，随机抽取5个观察点，对围岩位移量进中国新技术新产品2024 NO.12（下）- 110 -工程技术行观测统计，5个观测点要求覆盖全部的支护位置。同时抽取最中间的观测点，对其位移变形观测6个月。

2.2支护施工结果分析

根据观察巷道周边围岩未出现拉破坏单元，将5个观察点的围岩位移量观测结果进行统计记录，见表4。

表4随机观察点的围岩位移量观测点

根据表4可知，本工程在煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工方案下，总体两帮变形量最大值为387mm，顶底板变形量最大值为281mm，均小于工程要求的两帮变形量最大值400mm和顶底板变形量最大值300mm。绘制最中间的观测点6个月的位移变形曲线，如图2所示。由图2可知，在挖掘进度强烈影响期的1个月后，中心观察点的围岩位移量逐渐趋于平稳，顶板月平均下沉量为20mm，符合工程需求，其余非采煤帮变形量、采煤帮变形量和底板底鼓量也可以保持在工程安全需求范围内。证明应用本文的煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术在煤巷顶板上安置锚杆，可以减少顶板之间的跨度和顶板的下沉力，利用锚杆的抗剪切能力，可以阻止围岩进一步离层，防止岩层产生更大的相对位移，提高顶板岩层的稳固性。同时，由于锚杆支护所需要的金属材料价格相对较低，因此可以降低支护材料的成本，为煤矿的安全生产提供有力保障。

图2最中间的观测点位移变形曲线图观测时间

3、结语

在煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术的研究中，通过大量实践应用和数据分析，证明锚杆支护技术不仅能够有效地控制巷道围岩的变形问题，保障煤矿的安全生产，同时还能够根据不同情况进行定制设计，以极高的灵活性和适应性优势降低支护成本，提高施工效率，降低工人的劳动强度。随着科技的发展，新型高强度、耐腐蚀材料的研究与应用将成为未来锚杆支护技术发展的重要方向。应用新型材料可以提高锚杆支护结构的承载能力、延长使用寿命、减少维护费用，提高煤矿生产的经济效益。

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文章来源:张晗.煤矿掘进巷道复合顶板锚杆支护施工技术研究[J].中国新技术新产品,2024,(24):108-110.