煤礦巷道支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用研究

蘇耀杰

（大同煤礦集團(tuán)晉華宮礦，山西大同037000）

引言

支護(hù)巷道是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的一道重要工序，是確保煤礦安全開(kāi)采的關(guān)鍵。各礦井長(zhǎng)期開(kāi)采，礦井煤炭資源量必然不斷減少，煤礦開(kāi)采的地質(zhì)條件也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，這就給礦井巷道支護(hù)工作提出了更高要求，特別是當(dāng)?shù)V井煤炭資源開(kāi)發(fā)進(jìn)入深部開(kāi)采階段后，面臨的巷道支護(hù)問(wèn)題將會(huì)更多，如高地應(yīng)力引發(fā)巷道大變形，斷層褶曲較難支護(hù)等。另外，隨著我國(guó)煤礦科技的發(fā)展，一些高效采煤法如大采高綜采、綜放得到了廣泛應(yīng)用，而這些采煤法會(huì)產(chǎn)生更大的采動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)要求巷道斷面及跨度也越來(lái)越大，這也在某種程度上增加了巷道支護(hù)難度。

1 錨桿錨索支護(hù)工藝及要求

1.1 錨桿支護(hù)工藝及要求

對(duì)于錨桿支護(hù)工藝而言，首先應(yīng)定錨桿眼位，按照錨桿布置要求和巷道中線在頂板畫線布點(diǎn)，幫錨桿按設(shè)計(jì)要求使用自噴漆噴出眼位，以安裝幫部鋼帶。其次應(yīng)施工錨桿眼，可用Ф19 mm的六方鉆桿配合Ф28 mm鉆頭開(kāi)頂板錨桿眼，應(yīng)用手持式風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)施工幫部錨桿，可用Ф28 mm麻花鉆桿與Ф32 mm鉆頭施工巷幫錨桿眼。最后安裝錨桿，具體安裝方法參照錨桿安裝工藝流程，安裝時(shí)由外向里、由中間向兩側(cè)施工，安裝好錨桿后緊固螺母：頂錨桿采用錨桿機(jī)緊固停機(jī)后緩慢降下錨桿機(jī)，幫錨桿緊固時(shí)先調(diào)整鋼托板及鋼帶位置至設(shè)計(jì)要求，再用加力扳手將錨桿螺母擰緊，保證錨桿托板不松動(dòng)[1]。

1.2 錨索支護(hù)工藝及要求

對(duì)于錨索支護(hù)工藝而言，首先也應(yīng)確定錨索眼位，具體確定方法以巷道規(guī)格尺寸為依據(jù)，根據(jù)錨索布置要求把錨索眼位確定出來(lái)，并進(jìn)行標(biāo)記。其次用錨桿鉆機(jī)施工錨索眼，具體施工時(shí)應(yīng)參照錨索眼事先設(shè)計(jì)的深度、角度施工。最后安裝錨索。安裝前應(yīng)先檢查錨索是否合格，錨固劑是否過(guò)期，同時(shí)應(yīng)注意檢查錨索眼的眼位、角度、深度等是否符合施工要求。施工時(shí)用錨索將藥卷緩緩?fù)迫胙鄣祝瑢Ｓ脭嚢杵魑膊坎迦脲^桿鉆機(jī)，并與錨索相連，開(kāi)啟鉆機(jī)，一邊推進(jìn)，一邊攪拌藥卷，大約攪拌30～50 s左右然后再停止攪拌，這時(shí)錨桿鉆機(jī)保持推力狀態(tài)2 min再放下鉆機(jī)。安裝好4根錨索鋼絞線后，過(guò)10 min再進(jìn)行錨索梁、托板、錨具的安裝，最后用錨索張拉器張拉錨索。把錨索張拉器套在錨索上，同時(shí)拴好安全鏈，操作高壓油泵，實(shí)施張拉，在實(shí)際張拉時(shí)，應(yīng)仔細(xì)觀察壓力表指針是否達(dá)到了預(yù)緊力，若達(dá)到了預(yù)緊力，應(yīng)迅速換向回程，卸下錨索張拉器。

2 錨桿錨索對(duì)巖體的加固作用

1）通過(guò)錨桿錨索與巖體的整體黏結(jié)，巖體可更好抵抗各種擠壓變形，巖體的整體性更強(qiáng)。

2）借助錨桿錨索的抗拉性，用錨桿錨索把破碎巖石穿起來(lái)，并讓錨桿錨索牢固插入穩(wěn)定巖石，可有效懸吊破碎巖層。

3）利用錨桿錨索的抗剪性可有效阻礙巖層間發(fā)生離層，防止巖層發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，有助于巖層形成組合梁[2]。

3 錨桿錨索支護(hù)優(yōu)勢(shì)

棚式支架是之前用于支護(hù)掘進(jìn)巷道頂板的主要構(gòu)件，這種構(gòu)件存在很多缺陷如：支護(hù)阻力存在限度，初撐力不足，不具備主動(dòng)支撐頂板的能力，無(wú)法防止巷道頂板早期離層。與傳統(tǒng)的棚式支架相比，錨桿支護(hù)的支護(hù)優(yōu)點(diǎn)更多，如：當(dāng)頂板暴漏后可通過(guò)及時(shí)安裝錨桿錨索進(jìn)行加固，具有主動(dòng)加固巷道頂板巖層的能力，可用力矩扳手預(yù)緊頂板。提升頂板巖層屈服應(yīng)力，當(dāng)外力破壞巖層時(shí)，或巖層發(fā)生分化時(shí)，錨桿錨索支護(hù)的承載作用仍然不變，其支護(hù)安全性更高[3]。

應(yīng)用單根錨桿錨索在進(jìn)行巷道巖體加固時(shí)，可在錨桿錨索四周形成應(yīng)力包，逐步增加錨桿錨索數(shù)量，并采用適當(dāng)?shù)腻^桿間排距，可形成錨桿群來(lái)加固巖體，這時(shí)兩個(gè)相鄰錨桿錨素周圍應(yīng)力包會(huì)彼此疊加，逐步積累形成一個(gè)牢固的巖體內(nèi)承載圈加固帶。在用錨桿錨索支護(hù)某具體開(kāi)掘巷道時(shí)，對(duì)于錨桿錨索具體支護(hù)形式的確定，應(yīng)綜合考慮巷道巖石硬度、巖石完整性、具體層節(jié)理情況，并結(jié)合地應(yīng)力、預(yù)期服務(wù)年限等因素來(lái)確定。基于偽頂性脆、容易破碎，而直接頂較堅(jiān)實(shí)、牢固，人們常用錨桿錨索、網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)待支護(hù)巷道頂板較平整，載荷小時(shí)，也可用錨桿錨索聯(lián)合鋼帶進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)待支護(hù)巷道頂板不平整，載荷較大時(shí)，應(yīng)用錨桿錨索聯(lián)合鋼梁來(lái)支護(hù)。對(duì)于錨桿桁架其支護(hù)原理主要是借助拉桿形成的擠壓力來(lái)抵消或減弱下位巖層的拉應(yīng)力，組織成一種頂板巖層受壓，拉桿受拉的承載結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用此承載結(jié)構(gòu)時(shí)，巷道兩幫媒體應(yīng)有較高強(qiáng)度，若待支護(hù)巷道頂板完整性相對(duì)較好，同時(shí)又有較大的分層厚度時(shí)，其支護(hù)方式還應(yīng)選用錨桿錨索支護(hù)。此外，在實(shí)際實(shí)施支護(hù)作業(yè)時(shí)，可借助錨索鋼絞線較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，制作一個(gè)加固拱在圍巖上部，這樣可更好地防止圍巖上部巖石發(fā)生松動(dòng)或變形，進(jìn)而更好地確保巷道的穩(wěn)定、牢固支護(hù)[4]。

4 高應(yīng)力巷道分析

圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度是影響巷道破壞的兩個(gè)重要因素，當(dāng)圍巖應(yīng)力比圍巖強(qiáng)度大時(shí)，巷道圍巖易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，造成巷道破壞。由此可見(jiàn)高應(yīng)力巷道極易發(fā)生巷道破壞。

4.1 高應(yīng)力巷道變形破壞特征

高應(yīng)力巷道大致分為深埋高應(yīng)力巷道、構(gòu)造高應(yīng)力巷道以及采動(dòng)高應(yīng)力巷道。由于巷道受內(nèi)部高應(yīng)力的作用，會(huì)使煤巖體的實(shí)際變形特性產(chǎn)生變化，具體主要表現(xiàn)為：

1）在高地應(yīng)力的影響下，巷道圍巖會(huì)從脆性變形逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危@樣對(duì)于那些深部堅(jiān)硬圍巖來(lái)說(shuō)，軟巖變形特性將會(huì)更加明顯。

2）巷道圍巖時(shí)間效應(yīng)明顯，流變特性顯著，會(huì)呈現(xiàn)出很大的累積變形量，持續(xù)的大變形會(huì)增加圍巖控制難度。

3）部分強(qiáng)度大、沖擊傾向性強(qiáng)、具有脆性較大的圍巖，在高應(yīng)力的嚴(yán)重影響下，會(huì)呈現(xiàn)出更加顯著的動(dòng)力沖擊破壞特性，易突然發(fā)生巷道破壞，瞬間摧毀圍巖，震動(dòng)大，巨響大[5]。

4.2 高應(yīng)力巷道圍巖的控制

可通過(guò)下列三種途徑來(lái)控制高應(yīng)力巷道圍巖：一是應(yīng)科學(xué)布設(shè)巷道，使巷道處于基礎(chǔ)地質(zhì)條件較好的區(qū)域；二是可借助人工卸壓法，來(lái)降低巷道圍巖應(yīng)力，還可通過(guò)強(qiáng)化巷道內(nèi)支護(hù)，可讓一些U型鋼、工字鋼、鋼管混凝土等直接支護(hù)體，直接支護(hù)于巷道圍巖表面，以更好地抵抗受內(nèi)部應(yīng)力向巷道內(nèi)變形收斂；三是加固圍巖，可借助錨桿、錨索以及注漿等方式來(lái)加固支護(hù)圍巖，以增強(qiáng)圍巖自身自承載能力，對(duì)圍巖變形破壞進(jìn)行有效控制。

5 沖擊地壓巷道分析

隨著各礦井開(kāi)采年限的增加，開(kāi)采深度越來(lái)越深，近年來(lái)發(fā)生的各種沖擊地壓事故不斷增多。沖擊地壓事故危害性巨大，具有十分復(fù)雜的發(fā)生機(jī)理，且影響因素較多。

5.1 沖擊地壓巷道來(lái)壓特征

1）來(lái)壓劇烈，存在顯著的動(dòng)力特征。一般頃刻間就可摧毀幾十米的巷道，可拋出幾十噸，甚至上百噸的煤巖體，可瞬間堵塞巷道斷面。

2）突發(fā)性強(qiáng)，來(lái)壓前征兆不明顯。時(shí)常會(huì)突然發(fā)作，像爆炸一樣。

3）破壞性大，當(dāng)沖擊地壓爆發(fā)時(shí)，通常會(huì)伴隨著放出大量沖擊能量，導(dǎo)致巷道閉合，嚴(yán)重?fù)p毀設(shè)備甚至引發(fā)人員傷亡[6]。

5.2 沖擊地壓巷道控制

由于巷道高應(yīng)力，嚴(yán)重沖擊載荷，巷道圍巖力學(xué)特性以及支護(hù)情況等因素，都會(huì)影響到巷道沖擊地壓的發(fā)生，因此，可從這四個(gè)方面著手來(lái)控制沖擊地壓巷道：應(yīng)避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)來(lái)布設(shè)巷道；選用合理的卸壓方法來(lái)有效降低圍巖應(yīng)力；對(duì)圍巖改性，讓圍巖更完整，減弱圍巖沖擊傾向性；科學(xué)選用巷道支護(hù)形式，合理布設(shè)巷道支護(hù)參數(shù)，以強(qiáng)化巷道支護(hù)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，在支護(hù)沖擊地壓巷道時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持高承載能力原則、柔性支護(hù)原則、穩(wěn)定性原則、整體性原則來(lái)支護(hù)巷道。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著各礦井開(kāi)采年限的增加，礦井可采煤炭資源量不斷減少，開(kāi)采條件也越來(lái)越復(fù)雜，煤礦企業(yè)對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)提出了更高要求。各礦區(qū)在選用支護(hù)技術(shù)時(shí)，必須從本礦井地質(zhì)條件出發(fā)，選用適宜的支護(hù)技術(shù)，提高巷道穩(wěn)定性，更好地保障礦井施工安全。

[1]孟慶彬，喬衛(wèi)國(guó)，林登閣，等.深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究及工程實(shí)例[J].煤礦支護(hù)，2011（1）：1-6.

[2]張路亭.關(guān)于煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的探究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011（8）：55-58.

[3]李取生，薄福利，丁希陽(yáng)，等.深部軟巖巷道變形特性及其控制支護(hù)技術(shù)研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：8-14.

[4]師培俊.煤礦巷道掘進(jìn)施工與支護(hù)技術(shù)研究[J].能源與節(jié)能，2015（9）：56-58.

[5]李東.基于可靠性的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2005.

[6]杜強(qiáng).煤礦“三軟”不穩(wěn)定煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.