創(chuàng)新點

（1）通過理論分析，建立了巖石力學(xué)鉆進模型，理論推導(dǎo)了鉆進參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系，為實現(xiàn)巖石力學(xué)參數(shù)隨鉆預(yù)測奠定了理論基礎(chǔ)。

（2）在實驗室進行了隨鉆實驗，通過數(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度和抗拉強度的隨鉆預(yù)測模型。

（3）研制了預(yù)應(yīng)力錨固綜合實驗臺，在實驗室進行了不同預(yù)緊力和錨固方式下的加載實驗，得出了預(yù)應(yīng)力傳遞規(guī)律，為實現(xiàn)錨固段全長預(yù)應(yīng)力錨固提供了借鑒。

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煤礦巷道隨鉆探測及錨固支護關(guān)鍵技術(shù)

作者：鄭西貴, 向立, 賈豪, 劉燦燦

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

引用格式：

鄭西貴，向立，賈豪，等.煤礦巷道隨鉆探測及錨固支護關(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

圍巖特征快速準確探測以及高效錨固支護技術(shù)是巷道智能掘進的重要保障。隨鉆探測和高效錨固技術(shù)是當(dāng)前礦業(yè)工程領(lǐng)域的研究熱點，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，研究鉆進參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系；在實驗室澆筑了不同力學(xué)性能的混凝土試塊，對混凝土試塊進行了隨鉆試驗，同時實時采集了轉(zhuǎn)速、鉆速、扭矩和聲壓級等隨鉆參數(shù)，分析轉(zhuǎn)速、鉆速、扭矩和聲壓級等隨鉆參數(shù)同巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，建立預(yù)測模型；研制了預(yù)應(yīng)力錨固綜合實驗臺，通過預(yù)應(yīng)力錨固綜合實驗臺測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度呈指數(shù)關(guān)系，其中鉆速與巖石單軸抗壓和抗拉強度的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別達到了0.9631和0.8718；聲壓級與單軸抗壓強度和單軸抗拉強度均呈線性關(guān)系；扭矩做功與單軸抗壓強度呈線性關(guān)系，與單軸抗拉強度呈對數(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始向錨固尾端逐漸遞減；預(yù)緊力的增加會增大軸力在錨桿上的擴散范圍；錨桿全長預(yù)應(yīng)力技術(shù)在錨桿軸力傳遞上具有高效性。研究結(jié)果對提高巷道圍巖參數(shù)探測準確性和錨桿支護效果，實現(xiàn)巷道安全高效掘進，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

煤炭是我國的主體能源，占能源消費總量的比重在55%以上，全國每年累計新掘煤巷超過13000 km，居各類工程之首，但由于煤巷頂板的巖性探測不精準，錨桿支護效果差，導(dǎo)致頂板事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，2023年全國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方案和參數(shù)單一的現(xiàn)象，有時會因為支護強度不夠而造成頂板事故，或者支護強度過剩，浪費支護材料，降低掘進效率。

目前，對于煤礦巷道頂板巖層特征研究最常用的方法為鉆孔取心。該方法費時、費力、成本高、運輸難度大，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，但對于顏色相似的巖層，受主觀因素影響，難以準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別系統(tǒng)。

當(dāng)錨固孔鉆進過程中遇到巖層發(fā)生變化時，錨桿鉆機的鉆速、轉(zhuǎn)速、推力和扭矩等參數(shù)會發(fā)生相應(yīng)變化。因此，隨鉆參數(shù)為巷道頂板巖層識別提供了重要信息。相比于巖石取心法和鉆孔成像法，隨鉆探測法具有實時性，可以實現(xiàn)在巷道掘進工作面實時探測巷道頂板巖層特征。而且不會影響正常施工，也不會給正常施工帶來額外工作量。由于隨鉆探測具有成本低、速度快的優(yōu)勢已成為研究熱點。然而與石油鉆井相比，煤礦巷道頂板巖層的隨鉆探測研究相對較少。

目前我國煤礦巷道支護形式基本都是錨桿支護，其中預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護成為主要的支護方式。王清標、賈金青等對錨桿預(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行了系統(tǒng)的研究，但針對怎樣達到錨桿全預(yù)應(yīng)力并沒有一個有效的建議，因此還需針對錨桿錨固段施加預(yù)應(yīng)力的問題進行深入研究，保證錨桿全長預(yù)應(yīng)力效果，控制巷道的變形。何富連等、李沖等針對預(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)果精準性還需驗證。

預(yù)應(yīng)力錨桿具有很好的優(yōu)勢，但預(yù)應(yīng)力錨桿在煤礦中并沒有很好地應(yīng)用與推廣，據(jù)統(tǒng)計當(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到全長預(yù)應(yīng)力技術(shù)研究不充分、施工對預(yù)應(yīng)力的傳遞規(guī)律缺乏認識等。這就造成了優(yōu)秀技術(shù)沒應(yīng)用、應(yīng)用時達不到良好的效果。因此研究煤礦巷道隨鉆探測及錨固支護關(guān)鍵技術(shù)對提高巷道圍巖參數(shù)探測準確性、錨桿支護效果，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 巖石鉆進力學(xué)模型

圖 2 隨鉆實驗裝置

圖 3 預(yù)應(yīng)力錨固綜合實驗臺

圖 4 應(yīng)變片位置示意

圖 5 錨桿不同位置軸力變化趨勢

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科技創(chuàng)新人才團隊領(lǐng)銜人，國家礦山安全監(jiān)察局貴州局礦山安全生產(chǎn)專家，江蘇省“青藍工程”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、巷道高效能支護與快速掘進、智能采礦

主要成果

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

通訊作者

賈豪（2000—），男，陜西興平人，碩士研究生，研究方向：巷道高效能支護與快速掘進、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、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊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，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、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)運而生?！毒G色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟政策與評價等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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