郑西贵教授：煤矿巷道随钻探测及锚固支护关键技术

创新点

（1）通过理论分析，建立了岩石力学钻进模型，理论推导了钻进参数与岩石力学参数间的关系，为实现岩石力学参数随钻预测奠定了理论基础。

（2）在实验室进行了随钻实验，通过数据分析得到了各随钻参数与岩石力学性能关系，并建立了岩石单轴抗压强度和抗拉强度的随钻预测模型。

（3）研制了预应力锚固综合实验台，在实验室进行了不同预紧力和锚固方式下的加载实验，得出了预应力传递规律，为实现锚固段全长预应力锚固提供了借鉴。

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煤矿巷道随钻探测及锚固支护关键技术

作者：郑西贵, 向立, 贾豪, 刘灿灿

单位：1. 中国矿业大学 矿业工程学院；2. 贵州誉能装备(集团)有限公司

引用格式：

郑西贵，向立，贾豪，等.煤矿巷道随钻探测及锚固支护关键技术[J].绿色矿山，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

围岩特征快速准确探测以及高效锚固支护技术是巷道智能掘进的重要保障。随钻探测和高效锚固技术是当前矿业工程领域的研究热点，采用理论分析的方法建立了岩石力学参数与随钻参数的关系模型，研究钻进参数与岩石力学参数之间的关系；在实验室浇筑了不同力学性能的混凝土试块，对混凝土试块进行了随钻试验，同时实时采集了转速、钻速、扭矩和声压级等随钻参数，分析转速、钻速、扭矩和声压级等随钻参数同岩石力学参数的关系，建立预测模型；研制了预应力锚固综合实验台，通过预应力锚固综合实验台测试分析了不同锚固方式和预紧力锚杆预应力的传递规律。结果表明：钻速和转速与岩石单轴抗压和抗拉强度呈指数关系，其中钻速与岩石单轴抗压和抗拉强度的相关性最高，相关系数分别达到了0.9631和0.8718；声压级与单轴抗压强度和单轴抗拉强度均呈线性关系；扭矩做功与单轴抗压强度呈线性关系，与单轴抗拉强度呈对数关系；不论采用何种预应力锚固方式，锚杆上的轴力从锚固始端开始向锚固尾端逐渐递减；预紧力的增加会增大轴力在锚杆上的扩散范围；锚杆全长预应力技术在锚杆轴力传递上具有高效性。研究结果对提高巷道围岩参数探测准确性和锚杆支护效果，实现巷道安全高效掘进，减小事故发生概率，保证矿山安全生产具有重要意义。

引言

煤炭是我国的主体能源，占能源消费总量的比重在55%以上，全国每年累计新掘煤巷超过13000 km，居各类工程之首，但由于煤巷顶板的岩性探测不精准，锚杆支护效果差，导致顶板事故时有发生。据统计，2023年全国煤矿安全事故死亡人数443人，其中顶板事故死亡人数42人，占比为9.5%。我国煤炭资源的赋存条件受沉积环境影响，顶板的岩性往往在同一层位的同一巷道中变化频繁，经常存在千米巷道支护方案和参数单一的现象，有时会因为支护强度不够而造成顶板事故，或者支护强度过剩，浪费支护材料，降低掘进效率。

目前，对于煤矿巷道顶板岩层特征研究最常用的方法为钻孔取心。该方法费时、费力、成本高、运输难度大，而且当遇到软弱夹层和遇水易融化岩层，难以得到完整岩心。为解决上述问题，钻孔成像法被提出并广泛应用于煤矿巷道顶板岩层探测中。该方法相比于岩石取心成本较低，且速度更快。但受井下环境影响，成像不清晰，且不能得到各岩层的强度信息。虽然现在已经有三维钻孔成像仪，可直接得到顶板岩层柱状图，但对于颜色相似的岩层，受主观因素影响，难以准确判断各岩层的特征。钻孔成像法缺乏岩层变化的定量描述和不同岩层特征智能化识别系统。

当锚固孔钻进过程中遇到岩层发生变化时，锚杆钻机的钻速、转速、推力和扭矩等参数会发生相应变化。因此，随钻参数为巷道顶板岩层识别提供了重要信息。相比于岩石取心法和钻孔成像法，随钻探测法具有实时性，可以实现在巷道掘进工作面实时探测巷道顶板岩层特征。而且不会影响正常施工，也不会给正常施工带来额外工作量。由于随钻探测具有成本低、速度快的优势已成为研究热点。然而与石油钻井相比，煤矿巷道顶板岩层的随钻探测研究相对较少。

目前我国煤矿巷道支护形式基本都是锚杆支护，其中预应力强力锚杆支护成为主要的支护方式。王清标、贾金青等对锚杆预应力与围岩的相互作用，预应力在围岩中的分布规律，预应力与围岩的相互作用进行了系统的研究，但针对怎样达到锚杆全预应力并没有一个有效的建议，因此还需针对锚杆锚固段施加预应力的问题进行深入研究，保证锚杆全长预应力效果，控制巷道的变形。何富连等、李冲等针对预应力在锚杆中传递的研究采取了不同的方法，虽然都取得了显著的成果，但研究方法系统性还不完善，结果精准性还需验证。

预应力锚杆具有很好的优势，但预应力锚杆在煤矿中并没有很好地应用与推广，据统计当前预应力锚杆的利用率不足50%，其原因主要是锚固段达到全长预应力技术研究不充分、施工对预应力的传递规律缺乏认识等。这就造成了优秀技术没应用、应用时达不到良好的效果。因此研究煤矿巷道随钻探测及锚固支护关键技术对提高巷道围岩参数探测准确性、锚杆支护效果，减小事故发生概率，保证矿山安全生产具有重要意义。

部分图片

图 1 岩石钻进力学模型

图 2 随钻实验装置

图 3 预应力锚固综合实验台

图 4 应变片位置示意

图 5 锚杆不同位置轴力变化趋势

第一作者

郑西贵（1977—），男，汉族，山西侯马人，教授，博导，贵州省千人创新创业人才，贵州省巷道顶板可视化智能探测科技创新人才团队领衔人，国家矿山安全监察局贵州局矿山安全生产专家，江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师，煤炭行业教学名师。

研究方向

矿山压力与岩层控制、巷道高效能支护与快速掘进、智能采矿

主要成果

长期从事矿山压力与岩层控制、巷道高效能支护与快速掘进、智能采矿等教学科学研究工作。获国家科技进步二等奖1项，获省部级奖项10项；发表学术论文70余篇；出版学术专著4部、教材7部9册；获国内/外授权发明专利21件。主持国家自然科学基金等项目3项；教育部新工科研究与实践项目和贵州省教育厅揭榜挂帅项目等项目6项，企业委托合作科研项目70余项。

通讯作者

贾豪（2000—），男，陕西兴平人，硕士研究生，研究方向：巷道高效能支护与快速掘进、人工智能（矿业工程）。

策划丨郭晓炜

责编丨陈思成

编辑丨李莎

审核丨常明然

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《绿色矿山》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

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