頂板支護(hù)技術(shù)在煤巷掘進(jìn)過程中的應(yīng)用研究

陳強(qiáng)

摘 要：隨著煤礦巷道掘進(jìn)過程中設(shè)備的自動(dòng)化程度越來越高，對(duì)頂板支護(hù)技術(shù)也提出了更高的要求。本文在分析現(xiàn)有頂板支護(hù)形式的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用過程中的問題進(jìn)行解析同時(shí)給出解決方法;并輔以實(shí)例分析，對(duì)支護(hù)方案參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用優(yōu)化后方案能夠提升支護(hù)作業(yè)的效率，同時(shí)確保井下巷道掘進(jìn)作業(yè)能安全有效開展。

關(guān)鍵詞：井下巷道;掘進(jìn);頂板支護(hù)

0 引言

煤礦井下巷道掘進(jìn)是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)作業(yè)，掘進(jìn)作業(yè)安全有效的執(zhí)行不僅取決于完善的掘進(jìn)設(shè)備，而且還要依據(jù)巷道的實(shí)際地質(zhì)條件制定良好的施工工藝方法。現(xiàn)有的支護(hù)裝備在應(yīng)用過程中還存在一些問題，隨著掘進(jìn)過程中設(shè)備自動(dòng)化的程度越來越高，對(duì)支護(hù)裝備的安全可靠性提出了更高的要求。因此，本文在分析巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)類型的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用過程中的問題進(jìn)行解析同時(shí)給出解決方法，以確保井下巷道掘進(jìn)作業(yè)安全有效開展。

1 巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)類型

從現(xiàn)有的巷道支護(hù)裝備來看，巷道支護(hù)技術(shù)種類較多，通常由主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)之分，一般涵蓋加固支護(hù)、圍巖支護(hù)和近年來新興的多元支護(hù)。在巷道圍巖表面利用金屬支架防止圍巖變形或掉落的方式，稱為圍巖支護(hù)，是被動(dòng)支護(hù)技術(shù)中的一種，該方式成本較低，但應(yīng)用過程中存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn);以錨桿支護(hù)為主要類型的加固支護(hù)技術(shù)，一般應(yīng)用在巷道圍巖的防護(hù)，可適當(dāng)調(diào)整圍巖的變形周期，屬于主動(dòng)支護(hù)技術(shù)中的一種;近年來，逐步將巷道掘進(jìn)技術(shù)和支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，多種設(shè)備共同作用、同步協(xié)調(diào)作業(yè)，此種方式即為多元支護(hù)，其自動(dòng)化程度高、安全性好，已逐步在煤礦井下應(yīng)用[1]。

預(yù)留煤柱：巷道掘進(jìn)過程中，運(yùn)輸平巷為上區(qū)段，通風(fēng)平巷為下區(qū)段，為避免支撐壓力在下區(qū)段出現(xiàn)最大值，須預(yù)設(shè)足夠的煤柱。這種支護(hù)類型操作簡(jiǎn)單，便于排水與通風(fēng)，但后期的維護(hù)成本較高，一旦發(fā)生故障，出現(xiàn)支撐力由煤柱轉(zhuǎn)移至底部的現(xiàn)象，會(huì)降低巷道的穩(wěn)定性，給煤層的采掘工作帶來困難。

型鋼支護(hù)：機(jī)械性能優(yōu)良，具備一定的承壓能力和抗剪切能力。在應(yīng)用上，其內(nèi)部型鋼多用于承擔(dān)縱向和橫向的動(dòng)態(tài)負(fù)載。因此在使用型鋼作為支架的設(shè)計(jì)中，要充分考慮其在縱向和橫向動(dòng)態(tài)負(fù)載下的安全性。另外，支架的使用性能還與型鋼的外形尺寸有一定關(guān)聯(lián)，必須保證型鋼構(gòu)成的支架其外部面積滿足最小臨界面面積的要求，使型鋼處在一個(gè)均衡的受力狀態(tài)下，確保支架的整體使用壽命[2]。

2 頂板支護(hù)問題及影響因素

2.1 圍巖受壓變形導(dǎo)致支護(hù)故障

在巷道的掘進(jìn)作業(yè)中，圍巖的受力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。當(dāng)圍巖受到過大的膨脹壓力及擠壓力時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形。尤其是當(dāng)圍巖硬度較低時(shí)（軟圍巖），變形尤為嚴(yán)重，同時(shí)造成頂板支護(hù)設(shè)備故障。

2.2 軟巖的移動(dòng)行造成支護(hù)難度高

外力的動(dòng)態(tài)變化使得軟巖的穩(wěn)定性下降，當(dāng)受力值超出一定范圍后軟巖隨之移動(dòng)。這將改變支護(hù)設(shè)備的承載工況，增加后期運(yùn)行維護(hù)的難度;同時(shí)處于移動(dòng)變化的軟巖也會(huì)給排水及通風(fēng)工作帶來更多的麻煩。因而對(duì)于巷道軟巖的支護(hù)其難度較高。

2.3 自然因素

相較于普通圍巖，自然因素對(duì)軟圍巖的作用要更明顯。軟圍巖具有較強(qiáng)的吸水性，吸水后的軟圍巖容易破碎，由石塊狀變?yōu)轭w粒狀，如果水分較充足則會(huì)變?yōu)槟酀{[3]。圍巖本身就處于一個(gè)膨脹力動(dòng)態(tài)變化的工況中，其移動(dòng)性較強(qiáng)，加之圍巖的解體性及泥漿化，導(dǎo)致支護(hù)設(shè)備在復(fù)雜多變的環(huán)境下極易失效，從而加劇了對(duì)巷道穩(wěn)定性的破壞。

2.4 人為因素

一般來說，巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)在巷道掘進(jìn)深度不是很大的情況下，其支護(hù)作業(yè)較簡(jiǎn)單;但隨著掘進(jìn)深度的不斷增加，支護(hù)作業(yè)的難度也會(huì)逐漸提升。同時(shí)由于煤礦整體開采面積的增大，巷道圍巖所承受的擠壓力會(huì)相應(yīng)的增加，致使支護(hù)頂板脫落、支護(hù)設(shè)備故障頻發(fā)，嚴(yán)重阻礙了支護(hù)作業(yè)的進(jìn)程。另外，在巷道掘進(jìn)過程中采用的爆破技術(shù)，爆破的瞬時(shí)沖擊力以及余波振動(dòng)都會(huì)造成巷道圍巖松動(dòng)甚至掉落，也在一定程度上加劇了支護(hù)作業(yè)的復(fù)雜性。

3 掘進(jìn)頂板支護(hù)應(yīng)對(duì)策略

根據(jù)煤礦井下巷道的特點(diǎn)、頂板支護(hù)應(yīng)用過程中存在的問題，可知支護(hù)設(shè)備中頂板抵抗變形的能力對(duì)支護(hù)效果有著至關(guān)重要的作用。在解決頂板支護(hù)現(xiàn)有的問題上，必須從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面增加頂板的強(qiáng)度，尤其是頂板在惡劣工況下抵抗變形的能力，對(duì)提升支護(hù)作業(yè)水平十分必要。

在改善支護(hù)設(shè)備的同時(shí)，還應(yīng)該解決爆破沖擊和余波振動(dòng)所帶來的影響。為達(dá)到在最大程度上保證圍巖穩(wěn)定、降低爆破沖擊力對(duì)圍巖體的擠壓力，掘進(jìn)作業(yè)中應(yīng)采用光面爆破的方式取代傳統(tǒng)爆破，并利用錨噴支護(hù)巷道，以此提升巷道的整體穩(wěn)定性。

4 案例分析

以某煤礦巷道為例，其掘進(jìn)設(shè)備老舊，掘進(jìn)工藝方案簡(jiǎn)單，未能依據(jù)現(xiàn)有環(huán)境及設(shè)備制定有效的掘進(jìn)和支護(hù)工藝方法，導(dǎo)致掘進(jìn)效率低，支護(hù)作用不明顯，因此急需對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以滿足當(dāng)前巷道對(duì)頂板支護(hù)的要求。原有支護(hù)方案如圖1所示，優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖2所示。在優(yōu)化的支護(hù)方案中：“二二”支護(hù)模式應(yīng)用在頂板錨索上，設(shè)置1m的支護(hù)排距;為達(dá)到交替支護(hù)作用，于兩鋼帶之間和巷道頂角位置分別設(shè)置。

與原方案比較，改進(jìn)后的方案減少了兩排錨桿，鋼帶孔內(nèi)打上錨索替代錨桿，這樣的布置每排可減少2根錨桿。若按照50m掘進(jìn)距離計(jì)算，采用優(yōu)化方案可節(jié)省34根錨桿;通常需要6min打一根錨桿，15min打一根錨索，可見采用優(yōu)化方案后能大量節(jié)省作業(yè)時(shí)間，顯著提升支護(hù)作業(yè)的效率。同時(shí)在優(yōu)化的支護(hù)方案中，可降低1.8%的塑性區(qū)深度，并有效控制圍巖的位移，有利于后期支護(hù)的維護(hù)。

4 結(jié)論

本文分析了煤礦井下掘進(jìn)巷道的支護(hù)類型，在此基礎(chǔ)上對(duì)頂板支護(hù)應(yīng)用過程中的問題進(jìn)行了概述，并提出了頂板支護(hù)裝置在設(shè)計(jì)過程中要注重頂板抵抗變形的能力。并輔以實(shí)例，對(duì)頂板支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的方案能夠提升支護(hù)作業(yè)的效率。對(duì)頂板支護(hù)后續(xù)在巷道掘進(jìn)過程中的方案優(yōu)化提供了一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮召永，張永新.巷道支護(hù)技術(shù)在煤礦井下掘進(jìn)中的應(yīng)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（21）：47-48.

[2]何學(xué)科，韋四江，郜進(jìn)海.半煤巖巷錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（06）：705-708.

[3]李濤.半煤巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)及合理支護(hù)參數(shù)的研究[J].蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2013（06）：96-97.