巷道掘進支護設計與工藝
——以北三下組煤2 號探巷為例

郝亞楠

（西山煤電西曲礦掘進四隊，山西 古交 030200）

引言

煤炭巷道挖掘越深，煤炭開采過程中地質構造、應力環境情況也越來越復雜，加大了煤礦開采的難度，不僅影響到開采效率，而且對開采安全也提出了一定的要求。確保巷道穩定性，已經成為煤炭安全開采的必要條件之一。巷道施工過程中因受到內部巖體和外部環境兩方面的壓力，容易出現破碎和變形，增加施工難度。為了避免施工過程中發生安全事故，通過對巷道支護方式的合理選擇，參考相關支護數據，進行恰當的支護設計，可以提高煤礦施工的效率，保障施工人員的安全，同時可以為類似山西西山煤電股份有限公司西曲礦北三下組煤2 號探巷地質情況的巷道掘進支護提供一些思路和參考。

1 巷道的基本情況

北三下組煤（新區）2 號探巷2 段選址在西曲礦北三盤區西北部，該巷道施工長度為240 m，沿8 號煤層頂板方向進行垂直施工，施工斷面形狀為矩形，施工斷面寬度為4.5 m、高度為3.5 m，斷面示意圖如圖1 所示。8 號煤層厚度為3.7～4.7 m，一般厚度為3.9 m，煤層整體傾向南西，傾角2°～8°，平均為4°。該區域頂板灰巖及上部砂巖風化，巖性變質且厚度不穩定。施工期間風化區域及構造區域頂板容易產生裂縫，施工過程中要注意監測壓力，優化支護設計，確保施工安全。8 號煤層爆炸可能性為19.76%，在煤層自燃傾向分類中為Ⅱ類。巷道截面瓦斯涌出量0.32 m3/m。8 號煤層頂板基本頂硬度8.13，厚度為4 m，是中粒砂巖；8 號煤層直接頂硬度10.56，厚度為2.1 m，是L1 石灰巖；偽頂硬度4.1，厚度0.6 m，是泥巖；地板中基本底硬度5.72，厚度4.3 m，是細粒砂巖；直接底硬度與基本底一樣，厚度1.4 m，是粉砂巖。

圖1 北三下組煤（新區）2 號探巷斷面示意圖（單位：mm）

北三下組煤（新區）2 號探巷8 號煤層截面地下水的各種變化和運動類型簡單，施工過程中可能出現的主要問題是頂板巖層裂縫中會發生水的滲漏，富水性弱且不均一，頂板水以淋水、錨索眼小股流水方式進入截面。由于巖層滲水性不同，裂縫處滲水可能相對較嚴重，一般涌水點會逐漸衰減直至消失，對施工過程影響不大。

根據8 號煤層實際地質情況和水文地質的特點，斷面形狀和承壓能力的不同，需要選擇合適的支護方式和參數進行分析，提前做好礦壓監測，從而確保掘進工作的順利進行，分析施工過程可能存在問題，并提前準備相關解決方案，科學合理地進行支護施工，確保煤礦開采過程中巖層的穩定性和安全性。

2 巷道支護參數分析

2.1 斷面形狀選擇

煤礦巷道斷面形狀差異會導致巷道承壓能力的差別，我國巷道斷面形狀主要包括矩形、梯形和拱形，不同巷道形狀在具體使用過程中有著各自不同的優缺點。以拱形巷道為例，相比于矩形和梯形巷道，拱形巷道對于來自頂板的壓力有著較好的承受能力。但與此同時，拱形巷道由于易破碎、維護時間長、難度大，在實際應用中影響煤礦開采的高效性和安全性而難以廣泛應用。在北三下組煤2 號探巷，根據煤層狀況、地質狀況、水文地質等因素綜合考慮，認為最適宜的巷道斷面形狀為矩形。矩形斷面有利于提高巷道施工的高效性、穩定性和安全性[1]。

2.2 支護時間選擇

巷道支護過程中，會受到來自各個方向巖石的壓力，巖石同時會發生塑性形變，頂板也有可能發生破碎、下沉的問題，對施工安全造成極大的威脅。所以在巷道掘進施工過程中，需要進行礦壓監測。當受到的壓力接近支護力度時，需要加強對巷道的支護作用，避免巖石壓力過高導致巷道變形，從而影響施工安全。所以需要選擇合適支護時間和支護措施，保障巷道施工高效、安全、穩定進行。

2.3 支護參數選擇

巷道掘進工作中，支護參數和支護方式選擇的科學性與合理性對安全支護目標的實現有著決定性作用，可以保證巷道巖層的穩定性，有利于巷道施工的高效進行。提前進行施工巷道考察，合理進行支護設計，選擇合理支護參數，有利于保證巷道施工的安全，提高煤炭開采經濟效益，促進煤炭企業健康、可持續發展。

3 巷道支護方式選擇

3.1 棚式支護方式

20 世紀90 年代，棚式支護方式一經使用就引起人們的極大關注。根據材料的不同，巷道支護方式被劃分成由混凝土、鋼筋、金屬材料制成的3 種棚式支護方式。隨著科技進步和發展，混凝土和鋼筋材料制成的棚式支護方式逐漸因為不能起到足夠支撐作用造成巖石破碎，容易造成工作人員受傷而被放棄使用；金屬支架結構棚式支護方式因為堅固性和穩定性的優點在多種棚式支護方式中脫穎而出，從而得到廣泛應用。同時，支護操作簡便易懂、布設方便、對不同情況都有較好的適應性，在巷道掘進中顯示出極大的優越性，但因為造價昂貴，對相對復雜的地質環境適應度不高。

3.2 錨噴支護方式

錨噴支護方式在煤礦開采過程的支護設計中被廣泛應用，錨索和錨桿對于易破碎巖石頂板有很強的支護作用，可提高煤層巖石穩定性，增強頂板巖石承受能力，可有效避免巖石在壓力作用下發生的變形。

3.3 復合支護方式

復合支護方式是指將錨桿支護、錨索支護等和棚式支護方式相結合而形成的一種新的支護方式，有利于克服單一支護方式的不足，發揮多種支護方式的優勢。復合支護方式雖然提高了巷道掘進效率，但是和金屬支架結構的棚式支護方式一樣造價相對較高，操作復雜，且操作人員需要彼此配合[2]。

4 支護設計與工藝

北三下組煤2 號探巷煤層平均厚度4.1 m，巷道跟頂掘進，設計巷道高度為3.5 m。首先，在頂板完好時，采用錨桿支護。錨桿支護有利于維持巖層的穩定性，防止巖石破碎變形。當經過地質構造破碎和頂板破碎區域時，采用復合支護方式。以梯形鐵棚支護為主，錨桿支護為輔。

1）根據懸吊作用理論，錨桿長度計算公式如公式（1）：

式中：L 為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿錨入巖層深度，m。

由此得出：頂錨桿長度L=L1+L2+L3=0.07m+0.47m+0.8 m=1.34 m；

幫錨桿長度L=L1+L2+L3=0.07 m+0.68 m+0.4 m=1.15 m；

根據礦方實際生產經驗，頂錨桿和幫錨桿長度統一取1.8 m。

2）頂錨桿直徑的計算公式如公式（2）：

式中：d1為錨桿直徑，m；Q 為錨桿錨固力，取107 kN；σt為錨桿桿體材料的設計抗拉強度，取屈服極限值520 MPa。

3）幫錨桿直徑d2根據經驗公式計算得出：d2=L/110=1 800/110=16.36 mm。

永久支護采用錨棚聯合支護形式，臨時支護采用EBZ160 懸臂式掘進機錨護部作為支護工具。

5 巷道支護問題和對策

首先，巷道巖石之間黏結性很差，容易受到施工擾動和周圍巖石壓力作用而導致破碎脫落與巷道巖石變形。其次，巖石壓力和變形也會導致巷道受到不可逆轉的損害。

在巷道施工過程中，需要進行地質條件、水文地質的考察，支護方式選擇和支護參數優化設計，確保施工過程的順利進行。往往單一支護方式無法滿足實際情況的需要，經過對巷道實際情況的考察評估，通常多采用復合支護方式進行巷道支護。對可能出現巖石破碎的位置，需要提前做好判斷分析，并針對性地加強支護。根據巷道地質形貌設計對應斷面形狀，優化巖石壓力情況，減少巷道變形情況的發生，提高巷道支護的穩定性。同時，在施工過程中，應該盡量減少對巷道巖石的破壞，保證巷道巖石平滑，使其保持在同一曲面，分散巖石的壓力，提高巷道巖層穩定性，也能有效杜絕巖石發生變形。通過科學合理地設計巷道支護，能夠促進巷道施工工作的安全有序進行，降低煤礦開采支出，加快煤礦開采進度[3]。

6 礦壓監測

由于巷道巖石在壓力作用下容易變形和破碎，所以需要對巷道巖石壓力進行動態監測，保證支護作用的支撐力大于巖石壓力，防止巖石在周圍壓力下發生破碎、變形。礦壓監測的主要對象是巷道頂板、底板及周圍巖石，通過KJ216型頂板動態在線監測系統進行檢測，系統數據不能正常傳輸時則采用人工觀測，觀測次數根據觀測距離的不同分為1 次/d或1 次/周，通過對監測數據的收集，能夠評估巷道支護的合理性，從而優化支護方案和工藝，確保支護設計的科學性和合理性。

在北三下組煤2 號探巷巷道開口、交叉點、構造前后及錨桿支護巷道，每隔50 m 在巷道頂板中部安設GYW-60W型頂板離層儀，并實行掛牌管理。監測期間確保頂板下沉值和下沉速度在合理范圍，若下沉值超過安全范圍，應該及時確保施工人員安全撤離，加強支護，確保巷道安全后再進行施工。錨桿測力計與離層儀配套安設，錨桿測力計型號為GYM-400，安設在托板與螺母之間，觀測周期與頂板離層儀相同。巷道每隔50 m 安設1 個圍巖觀測站，進行巖石位移監測。當移動量小于3 cm 時，可正常進行施工；移動量在3～5 cm 范圍時，需要加大監測頻率；移動量大于5 cm 時，需要停止作業，加強支護，確保安全后再施工。通過實時數據監測，可以確保支護設計的科學性和合理性，保證巷道施工的安全有序進行，有利于優化支護方案，為類似工程施工提供一定參考價值。

7 結論

隨著我國煤炭產業的不斷升級發展、煤炭品質要求的不斷提高，煤礦巷道的施工面臨更為復雜的環境，巖石破碎和變形問題引起人們越來越高的重視，煤炭企業對開采效率和安全生產的要求不斷走高，合理進行巷道支護發揮著越來越重要的作用。在煤炭生產過程中，要根據巷道的地質狀況進行科學的巷道支護設計，提供巷道施工操作的安全性，促進煤礦企業轉型升級發展，實現收益最大化。