創新點

（1）通過理論分析，建立了巖石力學鉆進模型，理論推導了鉆進參數與巖石力學參數間的關系，為實現巖石力學參數隨鉆預測奠定了理論基礎。

（2）在實驗室進行了隨鉆實驗，通過數據分析得到了各隨鉆參數與巖石力學性能關系，并建立了巖石單軸抗壓強度和抗拉強度的隨鉆預測模型。

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

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煤礦巷道隨鉆探測及錨固支護關鍵技術

作者：鄭西貴, 向立, 賈豪, 劉燦燦

單位：1. 中國礦業大學 礦業工程學院；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鍵技術[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是巷道智能掘進的重要保障。隨鉆探測和高效錨固技術是當前礦業工程領域的研究熱點，采用理論分析的方法建立了巖石力學參數與隨鉆參數的關系模型，研究鉆進參數與巖石力學參數之間的關系；在實驗室澆筑了不同力學性能的混凝土試塊，對混凝土試塊進行了隨鉆試驗，同時實時采集了轉速、鉆速、扭矩和聲壓級等隨鉆參數，分析轉速、鉆速、扭矩和聲壓級等隨鉆參數同巖石力學參數的關系，建立預測模型；研制了預應力錨固綜合實驗臺，通過預應力錨固綜合實驗臺測試分析了不同錨固方式和預緊力錨桿預應力的傳遞規律。結果表明：鉆速和轉速與巖石單軸抗壓和抗拉強度呈指數關系，其中鉆速與巖石單軸抗壓和抗拉強度的相關性最高，相關系數分別達到了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系；扭矩做功與單軸抗壓強度呈線性關系，與單軸抗拉強度呈對數關系；不論采用何種預應力錨固方式，錨桿上的軸力從錨固始端開始向錨固尾端逐漸遞減；預緊力的增加會增大軸力在錨桿上的擴散范圍；錨桿全長預應力技術在錨桿軸力傳遞上具有高效性。研究結果對提高巷道圍巖參數探測準確性和錨桿支護效果，實現巷道安全高效掘進，減小事故發生概率，保證礦山安全生產具有重要意義。

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，導致頂板事故時有發生。據統計，2023年全國煤礦安全事故死亡人數443人，其中頂板事故死亡人數42人，占比為9.5%。我國煤炭資源的賦存條件受沉積環境影響，頂板的巖性往往在同一層位的同一巷道中變化頻繁，經常存在千米巷道支護方案和參數單一的現象，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。但受井下環境影響，成像不清晰，且不能得到各巖層的強度信息。雖然現在已經有三維鉆孔成像儀，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。

當錨固孔鉆進過程中遇到巖層發生變化時，錨桿鉆機的鉆速、轉速、推力和扭矩等參數會發生相應變化。因此，隨鉆參數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，其中預應力強力錨桿支護成為主要的支護方式。王清標、賈金青等對錨桿預應力與圍巖的相互作用，預應力在圍巖中的分布規律，預應力與圍巖的相互作用進行了系統的研究，但針對怎樣達到錨桿全預應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應力的問題進行深入研究，保證錨桿全長預應力效果，控制巷道的變形。何富連等、李沖等針對預應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，但研究方法系統性還不完善，結果精準性還需驗證。

預應力錨桿具有很好的優勢，但預應力錨桿在煤礦中并沒有很好地應用與推廣，據統計當前預應力錨桿的利用率不足50%，其原因主要是錨固段達到全長預應力技術研究不充分、施工對預應力的傳遞規律缺乏認識等。這就造成了優秀技術沒應用、應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鍵技術對提高巷道圍巖參數探測準確性、錨桿支護效果，減小事故發生概率，保證礦山安全生產具有重要意義。

部分圖片

圖 1 巖石鉆進力學模型

圖 2 隨鉆實驗裝置

圖 3 預應力錨固綜合實驗臺

圖 4 應變片位置示意

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，貴州省千人創新創業人才，貴州省巷道頂板可視化智能探測科技創新人才團隊領銜人，國家礦山安全監察局貴州局礦山安全生產專家，江蘇省“青藍工程”優秀骨干教師，煤炭行業教學名師。

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、智能采礦等教學科學研究工作。獲國家科技進步二等獎1項，獲省部級獎項10項；發表學術論文70余篇；出版學術專著4部、教材7部9冊；獲國內/外授權發明專利21件。主持國家自然科學基金等項目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（礦業工程）。

策劃丨郭曉煒

責編丨陳思成

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學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，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

為深入貫徹習近平生態文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設領域高端學術交流平臺，2023年5月，經國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學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）應運而生。《綠色礦山》為季刊，國內統一連續出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責策劃、出版、發行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環境保護、低碳技術及節能減排、數字礦業、綠色低碳經濟政策與評價等。

聯系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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