探析煤礦井下巷道掘進頂板支護

楊 磊 高 遠

（河南平寶煤業有限公司，河南 許昌 450670）

由于開掘煤礦井下巷道之后，生產應力會進行重新的分布，此時若頂板支護不及時，煤礦井下巷道圍巖就很有可能產生位移、變形、破壞等問題。因此，為保障煤礦井下巷道掘進施工的安全順利開展，就要求在巷道掘進過程中，要加強頂板支護控制與管理。就煤礦企業而言，煤礦井下巷道的掘進施工不僅要考慮到礦區的地質構造、掘進工藝與設備、掘進速度，還要考慮到施工的組織管理以及施工速度以及施工人員素質的提升等多方面，是一項系統且復雜的工程。因此，如何加強煤礦井下掘進工作面頂板支護控制是當前煤炭企業生產中亟待解決的問題。

1 常見的煤礦井下巷道掘進頂板支護方式

煤礦井下巷道支護主要經歷了木支架支護、砌碹支護、可縮性支架支護以及錨桿支護等幾個階段。在煤礦的巷道掘井的支護形式中，錨桿支護、礦用支護型鋼以及可縮性支架支護等是比較典型的支護形式。

1.1 錨桿支護

錨桿支護是我國煤礦巷道首選的支護方式，錨桿支護可有效改善煤礦巷道的布置方式，能有效提高煤礦煤炭產量以及效益。該支護方式主要運用的支護構件有錨桿桿體、錨桿托板、錨固劑、鋼帶以及網等。其中，錨桿的主要作用在于抗剪與抗拉；而托板即是圍巖與錨桿尾部相互接觸的構件，其主要作用在于：通過施加適當的扭矩給螺母，從而使巷道的表面受到托板緊壓，以此提供預緊力給錨桿，并擴散到煤巖體中，使圍巖的應力狀態得以有效改善，從而抑制圍巖節理裂隙張開、結構面滑動或者圍巖離層等問題；同時托板還能夠將圍巖變形產生的荷載傳遞給錨桿桿體，從而使錨桿的工作阻力增大，有效抑制圍巖變形。網緊貼于巷道表面，能夠提供支護力并起到防止圍巖中的破碎巖塊跨落的作用。

1.2 礦用支護型鋼

工字鋼與U 型鋼是當前煤礦礦用支護型鋼的兩種主要的類型。通常而言，在煤礦的橢圓形、半圓形以及圓形的巷道斷面中，這類礦用支護型鋼因其具有良好的韌性、且抗剪、抗壓與抗拉的能力較強等優勢，應用非常廣泛。由于煤礦巷道掘進的工作環境非常復雜，因此，就給礦用支護型鋼的使用提出了更高的性能要求。一方面，煤礦井下巷道掘進中產生的橫向的荷載以及豎向的推動力均須由支護架承擔，就要求使用的支護架在橫向與縱向的兩個方向上，都要具備足夠的負荷承載能力。同時，截面抵抗矩直接影響著礦用支護型鋼的斷面集合參數，因此，煤礦巷道支架的負荷承載能力應與截面抵抗矩的相應數值接近。另一方面，煤礦巷道支架的可縮性能決定著礦用支護型鋼的集合形狀，這就要求在滑移或者鎖緊其集合形狀時，要確保礦用支護型鋼的受力狀況要好，接觸面面積盡可能大，且能進行平穩地滑移。

1.3 可縮性支架支護

一般情況下，金屬支架的負荷承載能力主要表現在兩方面：一是極限承載能力；二是實際承載能力。極限承載能力是指煤礦巷道的可縮性支架在其剛性過程中所呈現出的最大負荷承載能力。煤礦巷道支架是否發生塑性變形決定了支架極限承載能力的達標狀況。實際承載能力指的是煤礦巷道的可縮性支架在其收縮的過程中呈現出的負荷承載能力，它主要受到煤礦巷道支架的工作狀況以及連接件的影響。通常而言，在煤礦巷道支架的實際承載能力與極限承載能力相差不大的情況下，巷道的可縮性支架狀態最好。

2 煤礦井下巷道掘進頂板支護問題及其影響因素

2.1 煤礦井下巷道掘進頂板支護的問題分析

2.1.1 圍巖的穩定性較差，致使煤礦巷道支護難度大。在煤礦井下巷道掘進施工中，若圍巖發生位移或產生過大變形，造成巷道特別是巖體松軟地段巷道的嚴重破壞，就會使支護在經過多次返修之后仍然不達標。因此，巷道變形的問題無法通過支護進行徹底地解決。

2.1.2 圍巖產生變形甚至被破壞，頂板缺乏合理的固定。在煤礦井下巷道掘進過程中，圍巖巖體遇水會產生巨大的膨脹力，加之受到過大的擠壓力，從而使圍巖發生變形，使巷道的支護結構遭到嚴重的破壞。同時，在巷道的掘進施工中，頂板受地質因素影響，通常會有零塊掉落現象出現；加上層理與節理的發育，常常會使片幫煤增加，頂板裂縫增多并張開，甚至出現圍巖離層，極易造成冒頂事故，加大了頂板支護的難度。

2.2 影響煤礦井下巷道掘進頂板支護的因素

煤礦井下巷道掘進施工中，影響頂板支護的因素多種多樣，如煤礦的地質構造以及施工工藝等，具體主要有以下幾方面。

2.2.1 煤礦的地質構造因素。在煤礦井下巷道的掘進施工中，煤礦的層理以及節理發育狀況、褶曲構造或者是掘進工作面煤巖的硬度情況、頂板以及底板的穩定性都會影起巷道的頂板支護問題。對于地質與基礎條件較好的地段，可實現快速地掘進；然而對于地質結構較為復雜的地段，巷道掘進施工的質量以及掘進的速度都會受到嚴重影響。例如，在褶曲斷層地質構造中，極易引起煤層厚度變化巨大，造成煤巖層缺乏穩定性，從而使頂板碎裂，造成垮落事故以及頂板支護的問題。

2.2.2 施工工藝因素。現階段，我國煤礦在巷道的掘進施工中，主要運用鉆爆法進行掘進施工，并以錨噴支護為主要的支護方式，相較于傳統的砌碹支護以及架棚支護而言，其掘進的速度以及施工質量都有很大提高。但在掘進施工實踐中，仍存在著裝藥量控制失當以及炮眼缺乏有效掌握等問題，從而降低了錨網噴支護的質量。此外，對于煤礦井下一些巷道較為密集的地方，當開掘其中一條巷道之后，巖體的地應力平衡就會遭到破壞，若再進行另一條巷道施工，從而形成了兩個掘進工作面的疊加，使地應力增大，也加大了頂板支護的難度。

3 煤礦井下巷道掘進頂板支護控制的技術管理措施

3.1 加強技術準備，提升巷道頂板的承載能力

強化巷道掘進施工前的技術準備。（1）根據煤礦礦壓觀測資料、 實際的地質構造以及巷道圍巖的力學性質等具體情況，選擇與煤礦井下巷道施工現場最適合的支護方式；同時針對重點施工部分，如冒頂處理、掘進工作面巷道開口等，要預先制定相應的安全技術方案。（2）強化巷道掘進施工設計，并明確支設方式、臨時支護形式以及材料數量與尺寸等，嚴格執行掘進作業規程。

煤礦巷道掘進施工中，無論選用哪種支護結構，都要確保開掘巷道要最大程度的光滑與平整，因此選用的爆破方式通常采用光面爆破方式，并輔以錨噴支護方式，從而使圍巖的完整性與穩定性得以保護，并降低煤巖層的松動程度，使頂板自身承受負荷的能力得以加強，使支護體結構與圍巖共同完成承載作用。

3.2 強化支架強度以及圍巖釋壓與讓壓的協調能力

煤礦井下巷道在進行初掘之后，極易使巷道產生位移與變形，這就要求選擇支護方式時，盡量選擇初具柔性后具剛性的支護結構，緩解巷道位移與變形的問題，同時還有利于巷道空間的完整性的保持，大幅降低返修量以及返修次數。鑒于此，要加強支架強度以及圍巖釋壓與讓壓的協調作用，增強巷道支護體的強度，并使圍巖在適當范圍內變形，進行圍巖的釋壓，強化頂板支護效果。

3.3 加強對掘進工藝與設備的投入力度

采用先進的巷道掘進施工技術。（1）對于地質構造與基礎條件比較好的煤礦巷道施工而言，可選用整機結構緊湊、中心相對較低、機身較矮、破巖能力較強的巷道綜合機械化掘進施工技術。該掘進施工技術主要由懸臂式掘進機、單體錨桿鉆機以及供電設備等組成，具有較強的生產能力，并對各種地質條件都比較適應。該掘進施工技術采用液壓馬達，能夠直接驅動裝載機構，液壓系統增設了自動加油裝置，穩定性與可靠性高；PLC 技術作為該技術電氣系統的主要控制技術，還有故障診斷以及工礦檢測等功能。（2）對于大斷面的煤層而言，可采取連續采煤機掘進施工技術。在多巷快速煤礦掘進施工以及矩形斷面雙巷掘進施工中，該掘進施工技術應用廣泛。采用該技術進行大斷面煤礦巷道掘進時，在采用連續采煤機開掘運輸巷道時，在回風巷道中，錨桿鉆車可同時進行錨桿支護作業，兩者還能實現連續交叉作業。

加強對掘進施工的設備投入。在煤礦井下的巷道掘進施工中，盡量推廣運用錨索以及錨網等可縮性支架進行支護，并進行機械化作業。同時，在小斷面煤礦巷道的掘進施工中，可推廣使用鑿巖臺車，實現鉆孔開孔、換釬返釬以及定位等的自動化；在大斷面的煤礦巷道掘進施工中，可加強使用綜掘機、TBM掘進機以及盾構機等，提升掘進速度與施工質量，實現一次成巷。

4 結語

綜上所述，在煤礦井下巷道掘進施工中，巷道支護尤其是頂板支護是必不可少的環節，只有進行準確且及時地頂板支護，才能保障巷道掘進施工安全正常進行。因此，在煤礦的井下巷道掘進施工中，要根據煤礦具體情況，合理選擇支護方式，提升巷道支護效果。同時，隨著巷道掘進深度的增加，煤礦的壓力也隨之增大，從而使巷道頂板事故頻發。因此，在巷道掘進施工中，還要注重運用先進掘進施工工藝與設備，提升頂板的支護強度，保障巷道掘進施工順利安全開展。

[1]徐尤松,宛禮平.對軟巖礦井巷道掘進頂板支護的探索[A].中國煤炭學會、煤炭科學研究總院重慶研究院.中國煤炭學會煤礦安全專業委員會2009年學術研討會論文集[C].中國煤炭學會、煤炭科學研究總院重慶研究院,2009:3

[2]郭中平.關于軟巖礦井巷道掘進頂板支護的探索[J].內蒙古煤炭經濟,2012,(12):84－85

[3]李超.略論煤礦井下巷道掘進銜接工作的開展[J].科技風,2013,(04):132

[4]徐尤松,宛禮平.對軟巖礦井巷道掘進頂板支護的探索[J].礦業安全與環保,2009,S1:171－172

[5]康紅普,王金華,林健.煤礦巷道錨桿支護應用實例分析[J].巖石力學與工程學報,2010,(04):649－664

[6]徐飛,任慶峰,宗琦.煤礦井下巷道掘進爆破振動監測與分析[J].煤礦爆破,2010,(04):9－11

[7]鄢耀.煤礦井下巷道掘進頂板支護研究[J].河南科技,2013,(12):35

[8]翟黨帥.井下巷道掘進時的頂板管理研究[J].科技資訊,2012,(02):167