創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過(guò)理論分析，建立了巖石力學(xué)鉆進(jìn)模型，理論推導(dǎo)了鉆進(jìn)參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆預(yù)測(cè)奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了隨鉆實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到了各隨鉆參數(shù)與巖石力學(xué)性能關(guān)系，并建立了巖石單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的隨鉆預(yù)測(cè)模型。

（3）研制了預(yù)應(yīng)力錨固綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同預(yù)緊力和錨固方式下的加載實(shí)驗(yàn)，得出了預(yù)應(yīng)力傳遞規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)錨固段全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固提供了借鑒。

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煤礦巷道隨鉆探測(cè)及錨固支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

作者：鄭西貴, 向立, 賈豪, 劉燦燦

單位：1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院；2. 貴州譽(yù)能裝備(集團(tuán))有限公司

引用格式：

鄭西貴，向立，賈豪，等.煤礦巷道隨鉆探測(cè)及錨固支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)[J].綠色礦山，2025，3(1)：37?43.ZHENG Xigui，XIANG Li，JIA Hao，et al. Key technology of detection while drilling and anchoring support incoal mine roadway[J]. Journal of Green Mine，2025，3(1)：37?43.

摘要

圍巖特征快速準(zhǔn)確探測(cè)以及高效錨固支護(hù)技術(shù)是巷道智能掘進(jìn)的重要保障。隨鉆探測(cè)和高效錨固技術(shù)是當(dāng)前礦業(yè)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，采用理論分析的方法建立了巖石力學(xué)參數(shù)與隨鉆參數(shù)的關(guān)系模型，研究鉆進(jìn)參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系；在實(shí)驗(yàn)室澆筑了不同力學(xué)性能的混凝土試塊，對(duì)混凝土試塊進(jìn)行了隨鉆試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)時(shí)采集了轉(zhuǎn)速、鉆速、扭矩和聲壓級(jí)等隨鉆參數(shù)，分析轉(zhuǎn)速、鉆速、扭矩和聲壓級(jí)等隨鉆參數(shù)同巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，建立預(yù)測(cè)模型；研制了預(yù)應(yīng)力錨固綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨固綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試分析了不同錨固方式和預(yù)緊力錨桿預(yù)應(yīng)力的傳遞規(guī)律。結(jié)果表明：鉆速和轉(zhuǎn)速與巖石單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系，其中鉆速與巖石單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.9631和0.8718；聲壓級(jí)與單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度均呈線(xiàn)性關(guān)系；扭矩做功與單軸抗壓強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系，與單軸抗拉強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)關(guān)系；不論采用何種預(yù)應(yīng)力錨固方式，錨桿上的軸力從錨固始端開(kāi)始向錨固尾端逐漸遞減；預(yù)緊力的增加會(huì)增大軸力在錨桿上的擴(kuò)散范圍；錨桿全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在錨桿軸力傳遞上具有高效性。研究結(jié)果對(duì)提高巷道圍巖參數(shù)探測(cè)準(zhǔn)確性和錨桿支護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)巷道安全高效掘進(jìn)，減小事故發(fā)生概率，保證礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

引言

煤炭是我國(guó)的主體能源，占能源消費(fèi)總量的比重在55%以上，全國(guó)每年累計(jì)新掘煤巷超過(guò)13000 km，居各類(lèi)工程之首，但由于煤巷頂板的巖性探測(cè)不精準(zhǔn)，錨桿支護(hù)效果差，導(dǎo)致頂板事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年全國(guó)煤礦安全事故死亡人數(shù)443人，其中頂板事故死亡人數(shù)42人，占比為9.5%。我國(guó)煤炭資源的賦存條件受沉積環(huán)境影響，頂板的巖性往往在同一層位的同一巷道中變化頻繁，經(jīng)常存在千米巷道支護(hù)方案和參數(shù)單一的現(xiàn)象，有時(shí)會(huì)因?yàn)橹ёo(hù)強(qiáng)度不夠而造成頂板事故，或者支護(hù)強(qiáng)度過(guò)剩，浪費(fèi)支護(hù)材料，降低掘進(jìn)效率。

目前，對(duì)于煤礦巷道頂板巖層特征研究最常用的方法為鉆孔取心。該方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高、運(yùn)輸難度大，而且當(dāng)遇到軟弱夾層和遇水易融化巖層，難以得到完整巖心。為解決上述問(wèn)題，鉆孔成像法被提出并廣泛應(yīng)用于煤礦巷道頂板巖層探測(cè)中。該方法相比于巖石取心成本較低，且速度更快。但受井下環(huán)境影響，成像不清晰，且不能得到各巖層的強(qiáng)度信息。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有三維鉆孔成像儀，可直接得到頂板巖層柱狀圖，但對(duì)于顏色相似的巖層，受主觀因素影響，難以準(zhǔn)確判斷各巖層的特征。鉆孔成像法缺乏巖層變化的定量描述和不同巖層特征智能化識(shí)別系統(tǒng)。

當(dāng)錨固孔鉆進(jìn)過(guò)程中遇到巖層發(fā)生變化時(shí)，錨桿鉆機(jī)的鉆速、轉(zhuǎn)速、推力和扭矩等參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。因此，隨鉆參數(shù)為巷道頂板巖層識(shí)別提供了重要信息。相比于巖石取心法和鉆孔成像法，隨鉆探測(cè)法具有實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)在巷道掘進(jìn)工作面實(shí)時(shí)探測(cè)巷道頂板巖層特征。而且不會(huì)影響正常施工，也不會(huì)給正常施工帶來(lái)額外工作量。由于隨鉆探測(cè)具有成本低、速度快的優(yōu)勢(shì)已成為研究熱點(diǎn)。然而與石油鉆井相比，煤礦巷道頂板巖層的隨鉆探測(cè)研究相對(duì)較少。

目前我國(guó)煤礦巷道支護(hù)形式基本都是錨桿支護(hù)，其中預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)成為主要的支護(hù)方式。王清標(biāo)、賈金青等對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力與圍巖的相互作用，預(yù)應(yīng)力在圍巖中的分布規(guī)律，預(yù)應(yīng)力與圍巖的相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但針對(duì)怎樣達(dá)到錨桿全預(yù)應(yīng)力并沒(méi)有一個(gè)有效的建議，因此還需針對(duì)錨桿錨固段施加預(yù)應(yīng)力的問(wèn)題進(jìn)行深入研究，保證錨桿全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力效果，控制巷道的變形。何富連等、李沖等針對(duì)預(yù)應(yīng)力在錨桿中傳遞的研究采取了不同的方法，雖然都取得了顯著的成果，但研究方法系統(tǒng)性還不完善，結(jié)果精準(zhǔn)性還需驗(yàn)證。

預(yù)應(yīng)力錨桿具有很好的優(yōu)勢(shì)，但預(yù)應(yīng)力錨桿在煤礦中并沒(méi)有很好地應(yīng)用與推廣，據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前預(yù)應(yīng)力錨桿的利用率不足50%，其原因主要是錨固段達(dá)到全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)研究不充分、施工對(duì)預(yù)應(yīng)力的傳遞規(guī)律缺乏認(rèn)識(shí)等。這就造成了優(yōu)秀技術(shù)沒(méi)應(yīng)用、應(yīng)用時(shí)達(dá)不到良好的效果。因此研究煤礦巷道隨鉆探測(cè)及錨固支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)提高巷道圍巖參數(shù)探測(cè)準(zhǔn)確性、錨桿支護(hù)效果，減小事故發(fā)生概率，保證礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

部分圖片

圖 1 巖石鉆進(jìn)力學(xué)模型

圖 2 隨鉆實(shí)驗(yàn)裝置

圖 3 預(yù)應(yīng)力錨固綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖 4 應(yīng)變片位置示意

圖 5 錨桿不同位置軸力變化趨勢(shì)

第一作者

鄭西貴（1977—），男，漢族，山西侯馬人，教授，博導(dǎo)，貴州省千人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，貴州省巷道頂板可視化智能探測(cè)科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜人，國(guó)家礦山安全監(jiān)察局貴州局礦山安全生產(chǎn)專(zhuān)家，江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀骨干教師，煤炭行業(yè)教學(xué)名師。

研究方向

礦山壓力與巖層控制、巷道高效能支護(hù)與快速掘進(jìn)、智能采礦

主要成果

長(zhǎng)期從事礦山壓力與巖層控制、巷道高效能支護(hù)與快速掘進(jìn)、智能采礦等教學(xué)科學(xué)研究工作。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)10項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇；出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著4部、教材7部9冊(cè)；獲國(guó)內(nèi)/外授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利21件。主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目3項(xiàng)；教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目和貴州省教育廳揭榜掛帥項(xiàng)目等項(xiàng)目6項(xiàng)，企業(yè)委托合作科研項(xiàng)目70余項(xiàng)。

通訊作者

賈豪（2000—），男，陜西興平人，碩士研究生，研究方向：巷道高效能支護(hù)與快速掘進(jìn)、人工智能（礦業(yè)工程）。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨陳思成

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，2023年5月，經(jīng)國(guó)家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生?！毒G色礦山》為季刊，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)為：CN10-1912/TD，ISSN號(hào)：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開(kāi)采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評(píng)價(jià)等。

聯(lián)系：常明然

電話(huà)： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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