陈麒麟 CHEN Qi-lin
（华亭煤业集团新柏煤矿，平凉 744201）
（Xinbai Coal Mine of Huating Coal Group，Pingliang 744201，China）
摘要： 近年来，我国煤矿的煤巷锚杆支护技术得到了较为快速的发展，其不仅是巷道支护工作中一项非常先进的技术，同时也是我国巷道支护未来的一个发展方向，目前由其所具有的优越性以及应用特征在我国现今的很多煤矿企业中得到了应用。在本文中，将就煤矿煤巷锚杆支护技术研究与实验进行一定的研究与分析。
Abstract： In recent years， the bolting supporting technology in coal lane of China’s coal mine gets relatively rapid development. It is not only a very advanced technology in roadway support work， but also a development direction of roadway support in the future in China. At present， the superiority and application characteristics of it are applied in many coal mining enterprises of China. This paper studies and analyzes the bolting supporting technology and experiment of coal lane in coal mine.
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ： 煤矿煤巷；锚杆支护技术；研究；实验
Key words： coal mine and coal lane；bolting supporting technology；research；experiment
中图分类号：TU399 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0124-03
作者简介：陈麒麟（1970-），男，甘肃平凉人，副总工程师兼生产技术科科长，采煤工程师。
0 引言
锚杆支护是煤巷掘进过程中，用以维持顶板和围岩稳定性，提高矿井作业安全系数的重要技术措施。它利用锚杆与围岩的共同作用，充分调动和发挥围岩自身承载能力，使围岩由施载体转化为承载体，达到限制围岩变形、位移和裂缝的目的。锚杆支护作为煤岩巷道工程的一种支护方式，由于其劳动强度低、成巷速度快、巷道断面利用率高、回采面的端头维护工艺简单、可明显改善作业环境和安全生产条件等特点，因此得到了大力的推广应用。但是在实际生产过程中，由于现场条件与理论层面存在差异，往往容易出现锚杆支护设计方法不合理、锚杆支护安全系数低、锚杆机具设备不配套、支护参数不合理等问题。
为了在煤巷掘进过程中尽力规避以上问题，本文结合煤巷支护设计要求，以西部某煤矿4202工作面锚杆支护任务为例，通过支护试验确定支护参数，大大提高了锚杆支护的科学性，使巷道作业更加安全。
1 煤巷锚杆支护现状
1.1 现有锚杆支护设计方法不完善，欠规范
目前关于锚杆支护的相关理论有很多，比如组合梁作用理论、围岩松动圈支护理论和悬吊理论等，虽然这些理论有利有弊，都有一定的适用范围，但是并不能从根本上控制所有地址条件下的围岩变形，面对这种形势，必须针对现有锚杆支护设计方法不完善、欠规范等问题，有针对性地采取应对措施，即科学合理地划分煤层和顶板类别，运行信息化设计方法，从岩层属性、地压来源、地压活动基本规律入手，完善、规范锚杆支护设计过程，使支护体系和施工工艺不断适应围岩变形的活动状态。
1.2 锚杆支护的安全性不高
①锚杆及其附件加工不规范，包括：锚杆杆体和螺纹部分不等强；托盘加工粗糙，强度低；锚杆支护附件的刚度偏小等。
②锚杆支护监测设备性能不高、可靠性差，严重制约了我国锚杆支护工程的验收质量和安全可靠性，正因为锚杆支护监测设备对整个施工质量的影响巨大，我国一直以来都十分重视对锚杆支护监测设备的研发工作，相继研发了很多的相关设备，但是这些设备普遍存在性能不高、功能不齐全、可靠性低等问题，严重影响了我国锚杆支护的安全、可靠水平的提高。
锚杆支护的安全性不仅要保证锚杆支护的规范性，也要确保支护附件的刚度。面对这种形势，相关部门应及时采取有效措施，首先针对锚杆支护及其附件制定相应的质量标准，规范生产流程，同时加强监测和监督工作，进而提高锚杆支护的安全性。
1.3 锚杆机具研发进展慢、设备不配套
众所周知，锚杆机的性能直接影响着锚杆安装质量和施工速度。现阶段，我国的锚杆机主要还是以单体锚杆钻机为主，造成这种现象的原因主要是因为虽然我国也有电动、液压锚杆钻机等，但是这些先进锚杆钻机的性能结构还并不尽如人意，且其机械化和自动化程度也不够高，因此较少得到应用。不可否认，我国现有的锚杆钻机无法从哪个方面比较都落后于国外同类产品。究其原因，本文发现国外不仅十分关注各种具体用途的锚杆结构型式，也很注重对锚杆钻装机的研发工作。反观我国，锚杆机具研发进展慢、设备不配套的问题屡屡得不到解决，这就要求相关部门必须组织相关团队，不断攻关和研究锚杆机具，使其安全性得到有效保证。
1.4 提高施工、管理人员的理论水平
人为因素也是制约巷道安全支护的一个重要原因，一线操作人员动作不规范、管理人员对监测设备认识不足等问题，都可能严重影响到施工的安全性。因此，要想保证施工和相关设备的安全性，提高施工、管理人员的理论水平和实践能力是当务之急，通过提高施工、管理人员的理论水平，促使整个施工过程更加系统化和规范化。
2 改进建议
2.1 锚杆支护工程质量检测与监测技术的研究
由于锚杆支护属于隐蔽性工程，一旦施工不当或者不合理，很可能会造成严重的施工安全事故，在这种情况下，施工后进行工程质量检测是必要的。监测巷道围岩的变形和破坏状况、锚杆受力分布和大小在施工过程，获得支护体和围岩位移和应力信息，验证初始设计的合理性和可靠性，结合修正的设计效果为新设计提供依据；检测是监督施工质量的重要内容，是保证锚杆支护安全可靠的重要手段，必须制定有规范、科学的工程质量检测方案。锚杆工程质量检测主要为锚杆的锚固性能和安装质量，矿压监测主要包括围岩位移、锚杆受力、围岩应力监测等内容。
当前国内外相继研发了很多的仪器仪表，这些仪器仪表性能良好，但是良好的仪器仪表也得由人操作，只有良好的性能加上规范的操作，才能有效保证施工安全，这就要求相关部门加强对现场人员和管理人员的培训，使其真正意识到自身岗位的重要性，加强监测工作，规范施工流程，保证施工安全。
2.2 研发新型锚杆钻机及其配套设备
与发达国家相比，我国现有的锚杆钻机还存在很多不足，比如效率低、钻进速度慢等，因此研发新型锚杆钻机及其配套设备刻不容缓。要求研发的新型锚杆钻机及其配套设备不仅要满足锚杆支护的要求，还要实现快速掘进。设计上要从“三高一低”的现代锚杆支护设计理念转变，不断提高支护设施工的机械化程度。所谓“三高”就是高强度、高刚度、高可靠，“一低”是低密度。优选施工机具、优化施工工艺，采用快速安装机具与工艺进行研发，是实现锚杆支护施工速度的有效途径。
2.3 加强施工人员的业务知识培训和现场技术管理
一方面加强施工和技术人员业务知识培训，另一方面要求工人严格按施工组织设计施工。在锚杆的安装时，要严格按照施工顺序和操作程序施工，无论是帮部锚杆或者顶部锚杆，在合理使用打眼锚杆机的同时，要做到如下几点很重要：①杜绝干打眼，保证在风水电正常情况下工作；②在装树脂药卷时，一定要把药卷的顺序搞对，快速和中速的不能搞混；③按要求安装完锚杆后，必须用预应力扳手将锚杆托盘螺丝拧紧，使其紧贴岩面，达到预应力值。
3 案例分析
锚杆支护设计方案是一种全新的、结合了现代信息技术的设计理念，它有效克服了其它设计方法中参数取值偏差大的缺点，步骤如下：①全面分析基础地质技术数据，将数据分为最佳条件及最差条件，通过工程类比的方法得出锚杆的初始参数；②不断进行现场实测，获得应力、同岩、支护三者相互作用结果的综合信息，包括对现场监测锚杆的预应力设计参数分析、现场施工过程中高应力锚杆支护效果分析、高应力锚杆支护滞后预紧效果分析，再与实际观测信息进行比较，评价支护效果；③依据支护效果评价，利用计算机重新调整巷道已掘进部分设计的锚杆支护参数，形成支护反馈信息，结合调整的设计参数去指导预支护部分的设计参数，具体流程详见图1。
3.1 西部某煤矿4202工作面锚杆支护试验
3.1.1 地质概况
我国西部某煤矿4202工作面位于采区上部，上方为高80m的防水煤柱，而下方为4206总左面与采空区，东部采区边界为断层，西部则同另一矿区相连。在该工作面中，其长度为905m，倾斜度165m，煤层厚度平均8.2m，煤层伪顶为泥岩类型，厚度0.5m，土质材质而细砂岩以及粉砂岩，厚度分为为4.5m与5.2m，老顶土质类型为中砂岩，厚度为12.2m。
3.1.2 数值模拟煤巷支护参数
根据已经建立的模型，本文对轨道进行了一定的模拟工作，其中。4202轨道锚杆支护所具有的参数为：顶板有菱形金属网以及M型钢带作为支护，锚杆规格为φ20*2100mm，锚杆预拉力2.5t、锚杆间距为1000mm、排距为1200mm，两边各有两根无纵筋金属螺纹钢锚杆，且不具有金属网，规格为φ20*1600mm，锚杆排距为1000mm，锚杆间距为1200mm，其设计断面如图2所示。
经过数值模拟结果，可以得到，巷道底角多具有最大压力为11.37MPa，顶板中心最大拉力为7.07MPa，顶板两帮移近量为144mm，顶板移近量为101mm，而在锚杆支护范围之内，无论是外部还是内部都没有出现离层，整个巷道具有着较为稳定的特点。但对于拉应力来说，其则会超出煤体抗拉强度，即在巷道顶板建设方面需要通过菱形金属网以及M型钢带的应用对其进行联合支护，以此对巷道所具有的稳定性作出保障。
3.2 煤矿工作面锚杆支护参数设计
3.2.1 地质概况
原岩应力：最大水平住应力α1=14．14MPa，方位角N123°。，第二水平主应力α2=7．81MPa，垂直主应力α3=13．1MPa。巷道煤岩力学性质为E底板=1．44×1010Pa，E顶板=1.44×1010Pa，E煤=6．9×109Pa，节理面法向刚度KN=1．9× 108Pa，节理面切向刚度KN=1．9×108Pa。巷道尺寸：宽高位4000×3000mm2，巷道支护形式为：顶板6根锚杆，两帮各3根锚杆。巷道走向方向为N35°。锚杆规格为；顶板φ20×2500mm；两帮φ20×1800m。
3.2.2 模型计算
在现有模型基础上，本文再一次通过ANSYS软件的应用进行数值模拟工作，并获得了以下结果：第一，当锚杆间排距为0.7m、预应力为2t的情况下，在巷道顶板以及内基锚杆支护范围都存在着较为明显的离层，且巷道底板夹角处所具有的压力为11.78MPa，顶板中点位置所具有的最大拉力为2.154MPa，顶板、底板所具有的移近量为282mm，而两帮移近量为156mm。经过对上述数据的计算与研究，可以发现，巷道顶底板间所具有的离层距离较大，不能够对该巷道所具有的稳定性进行保证。
第二，当锚杆排距0.7m、预应力为6t时，巷道顶板中心位置所具有的最大拉力为2.12MPa，同预应力2t数值比较来说，其在应力的集中方面具有一定的下降，虽然其两帮以及顶底板所具有的移近量会具有一定的减小，但在顶板位置依然具有少量的离层现象存在。
第三，锚杆预拉力为12t，间、排距为0．8m时，巷道顶板中点最大拉应力为1．472MPa，底角最大压应力为1．252MPa。巷道周边应力集中程度明显降低，顶底板及两帮的移近量也明显减小，巷道顶板不出现离层现象，表明巷道处于稳定状态；第四，锚杆预紧力6t，排距为0．6m时，巷道项板中点最大拉应力为2．26MPa，底角最大压应力为11．73MPa，巷道周边应力略有降低，巷道周边变形量较大，巷道不产生离层现象，表明巷道处于稳定状态。
在经过上述情况、数据的分析之后，可以了解到，在4213巷道中，以顶板6根锚杆方式进行支护的情况具有着较好的支护效果，所具有的支护形式也比较合理。
3.3 井下试验结果
在对井下巷道开展变形观测工作后，可以看到4202工作面轨道顺槽顶板所具有的最大下沉量为28mm，平均下沉量为17mm，而巷道两帮移近量的最大97mm，平均移近量为78mm。而在此基础上通过我们开展的观测工作可以看出，巷道由于受到超前动压影响，整个巷道在工作过程中具有着较好的运行状况，在整个观测期间没有发生片帮以及冒顶等现象，对于巷道内部行人、通风以及货物运输的需求都进行了良好的满足。
由此可以看到，这种两节镦头式锚杆对于煤巷跨度较大的情况具有着较为适用的特点，且锚杆无论是在排距方面还是间距方面都相对较大，在施工施工中对于锚杆需求、以及应用的数量要求都较少，非常适合快速安装，且在此基础上在对人、物资源进行较好节约的基础上能够获得更大的经济效益（优化设计效果详见表1）。
4 结论
对于煤巷锚网支护技术来说，其对于以往的支护理论以及支护形式具有着较大的突破，不在是以较为消极的方式对围岩压力进行承受，而是能够在对围岩稳定性以及完整性进行尽量保持的基础上对围岩力学形态变化进行积极的控制。而在实际煤矿巷道支护工作开展中，也需要能够对该种方式的良好运用获得更好的工作效果。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：
[1]牛旭旭.煤矿掘进施工巷道复合顶板锚杆支护[J].科技传播，2013（02）：77-78.
[2]李云鹏.分析锚杆支护技术在煤巷掘进中的应用[J].科技风，2012（17）：87-89.
[3]郭志明.锚杆支护技术研究[J].现代工业经济和信息化，2012（02）：54-57.
[4]李辉.应用锚杆支护技术的几点认识[J].内蒙古煤炭经济，2013（02）：144-147.
[5]靖永明.矿井锚杆支护技术存在的问题及对策研究[J].企业导报，2013（09）：215-217.
[6]张希中，郑建朝，李猛.不同工程地质的锚杆支护技术研究[J].中国高新技术企业，2013（12）：44-45.
[7]朱锋，阚甲广，张冬华.超高强锚杆支护技术在沿空掘巷中的应用[J].煤炭工程，2010（04）：87-89.
[8]孙永康，李振雷，徐建文，田素川，郭树栋.深井软岩巷道锚杆支护原理的研究[J].矿业工程，2010（02）：106-109.