大斷面支護方式淺析

◎魯尚軍 馬立功

隨著煤礦行業的迅猛發展，各種先進的生產工藝與煤礦生產完美結合，使煤礦產能進一步被開發，建設千萬噸大礦早已不是夢想，各種大型機械設備在煤礦的應用越來越廣泛，但同時也會面臨一些困難：大型機械設備需要更大的安裝使用空間，在掘進施工過程中，大斷面巷道的施工工藝以及支護方式將會是所有大型礦井面臨的問題，是急于解決的問題，施工工藝及支護方式已被高度重視。

根據曉南礦煤礦實際情況，以斷面積在20㎡以上的斷面界定為大斷面。根據地質條件不同，大斷面巷道的施工工藝及支護方式也會不同，結合曉南礦的復雜地質條件，對采煤工作面切眼大斷面巷道的施工工藝、支護方式進行探討和分析，對其他地質條件的大斷面巷道施工方法提供理論依據及實踐指導。

一、巷道破壞形態及分析

錨桿支護巷道變形破壞的過程如下：頂板整體穩定性遭到掘進破壞而離層彎曲，金屬網下垂形成掉包；兩幫在頂板巖層擠壓下發生變形、片幫，上部錨網控制區內擠壓成凸形，下部煤巖壁片幫，錨桿失效；底板自由變形，底鼓現象普遍，巷道總體空間收斂，最終造成巷道變形破壞。壓力顯現明顯的主要原因：支護參數設計不當，巷道成形質量及支護質量差是錨網支護巷道變形破壞的關鍵所在。

1.主要原因有：

（1）巷道成形質量差。

巷道成形不均，凹凸不平，承壓不均勻，造成局部地段壓力集中，使設計支護強度不能承擔頂板壓力，造成掉包、變形，最終破壞。

（2）支護質量差。

錨桿托盤緊固不及時，端頭錨固的錨桿支護方式就是依靠托盤提供錨固力的，根據樹脂藥卷特性，要求藥卷在凝固后3至5分鐘，就要立即對錨桿進行預緊，預緊不及時，就會導致巷道受力在平衡的過程中隨圍巖的蠕動變形被自然“預緊”，致使初始圍巖運動不受限制，層間結構強度大大減弱，圍巖松動圈進一步擴大，為巷道變形破壞提供了條件。

（3）錨桿支護設計不合理。

錨桿支護設計一般按照經驗類比法進行設計，缺乏理論依據，尤其在大斷面巷道的施工過程中，一方面缺少斷面類比數據及經驗，另一方面經驗類比法也不可靠，類比法雖能滿足部分巷道對支護強度的要求，但更多情況下是強度過大造成隱形浪費，或強度不夠造成巷道破壞。

2.采取的措施：

（1）采用綜掘工藝施工巷道，與爆破施工工藝比較，更具安全性，且在巷道成形及對圍巖的破壞方面更有優勢。

（2）確保施工質量，尤其在錨桿預緊及錨桿間排距、巷道成型方面。

（3）采用更科學的錨桿支護設計方法，依靠先進的支護理論設計巷道支護用的錨桿長度、間排距等，是支護設計更科學，更可靠，且能提高施工進度，節支降耗。

二、斷面設計

巷道斷面及其尺寸是巷道斷面設計的主要參數，是巷道掘進施工與支護的依據，我國煤礦巷道的斷面形狀常選用矩形、梯形、直墻圓拱形斷面，其合理與否直接影響到煤礦生產的安全和經濟效果。本論文以鐵法煤業集團曉南煤礦北一1501切眼工作面為例進行探討研究。

1.巷道尺寸的確定。

由于切眼設計要滿足回采準備期間三機和液壓支架安裝條件，經設備選型后，將巷道掘進斷面確定為高3000mm，掘進寬度7000mm。從用途方面考慮，矩形斷面可滿足需要。

2.從斷面形狀受力方面考慮。

先從矩形斷面、半圓拱形斷面的受力情況做一比較：

（1）矩形斷面巷道中，頂板簡化為兩邊固定、受均勻分布載荷的壓力，該斷面巷道頂板受巷幫巖體的支撐作用，給巖體的反作用力并非是均勻分布的。即巷道幫部作為支點，幫部承擔頂幫交接處的壓力，該處頂板不承壓，頂板中頂處壓力集中，從現場觀察，也是中頂處頂板最先變形、甚至破壞，也就是說矩形斷面并不能把壓力均勻分布，而是造成壓力集中，容易發生冒頂事故，且幫部較高，巷高小于2m時還能支撐，如果換做巷高達到5.2m的大斷面，幫部太高，極易造成偏幫，發生事故。

（2）分析拱形斷面受力，頂板處圍巖給頂板施加的壓力仍然是均勻分布的。該斷面由于頂板成半圓形，頂板作用給圍巖的作用力方向是與巷道設計輪廓線切線垂直，通過半圓周反作用力的合力，與頂板壓力達到平衡。

三、支護設計

煤礦進行巷道支護是為了使巷道圍巖進行穩定的一種措施，用支護的方式防止圍巖發生運動甚至坍塌，提高圍巖自身的支持能力，從而來維護正常的工作。在對巷道進行支護時，選擇的材料支護方式很多，有木質支架、金屬支架以及錨桿支護等，最初是使用木質支架進行巷道支護的，但是由于井下環境潮濕，木質材料長時間易于變質腐爛，造成支護效果差。金屬支架運輸困難，成本高，施工難度大。錨桿支護方式工藝簡單，支護效果好，成本低，所以將支護方式確定為錨網索噴支護。

四、實踐及結論

將曉南煤礦北一1501切眼工作面的大斷面作為實驗對象。該斷面掘進高度3000mm，掘進寬度7000mm，掘進斷面積21m3。在施工該大斷面巷道時，要提前探明頂板巖性，選擇頂板穩定、巖性整體性好的地段施工，更能保證巷道在施工、使用時的效果。

根據具體情況及理論計算，最終選定錨桿長度為2200mm，間排距為800×900mm，錨索長度5200mm，錨索直徑Φ21.6，間排距為1800×1800mm。

在該條件下按照該方法施工，北一1501切眼工作面的大斷面在施工過程中頂板穩定，未發生片幫及冒頂事故，且整個安裝過程中，頂板情況依然良好，無明顯下沉現象綜采工作面回采期間，在巷道內架木垛加強支護，使該斷面順利回采，最終達到施工、使用、回撤均順利、安全。

五、總結

在煤礦設備大型化的趨勢下，大斷面巷道的掘進施工、使用效果及回采安全均已成為必須面臨和解決的困難，本文從理論上分析計算，在曉南煤礦北一1501切眼工作面進行了實踐，取得了良好效果，但煤礦頂板冒落的本質機理十分復雜，理論傳統的計算與實際情況存在差別，不同地質條件下的大斷面將面臨哪些不同的問題，還有待進一步研究。