摘要：煤炭作為重要的能源資源，其開采業(yè)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和安全問題日益增多。尤其在深部礦山開采中，科學(xué)的巷道設(shè)計、先進的掘進技術(shù)及有效的支護措施能夠保障礦井的長期穩(wěn)定性。探討了煤炭采礦工程巷道掘進中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、掘進流程控制、瓦斯排放管理及通風(fēng)防塵措施，深入分析了混凝土支護、錨桿支護、預(yù)留煤柱支護和剛性支架支護技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤炭采礦工程巷道掘進支護技術(shù)施工方法

ApplicationofTunnelExcavationandSupportTechnologyinCoalMiningEngineering

KONGLei1SONGShitao2

1.HuanchengCoalMine，WeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，ShandongProvince，Jining，ShandongProvince，277600China;2.YongshengCoalMine，ShandongWeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，Jining，ShandongProvince，277600China

Abstract：Coal，asanimportantenergyresource，itsminingindustryisfacingmoreandmoretechnicalchallengesandsafetyproblems.Especiallyindeepmining，scientifictunneldesign，advancedtunnelingtechnologyandeffectivesupportmeasurescanensurethelong-termstabilityofthemine.Thestructuraldesign，tunnelingprocesscontrol，gasemissionmanagementandventilationanddustpreventionmeasuresincoalminingengineeringtunnelexcavationarediscussed.Theconcretesupport，boltsupport，reservedcoalpillarsupportandrigidsupporttechnologyaredeeplyanalyzed.

KeyWords：Coalminingengineering;Tunnelexcavation;Supporttechnology;Constructionmethod

在全球能源結(jié)構(gòu)中，煤炭是發(fā)展中國家主要的能源供應(yīng)來源。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對能源的需求日益增長，煤炭的開采量也隨之增加。隨著地下礦井深度的增加，地壓活動加劇，礦山巷道的穩(wěn)定性對于整個礦山的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。通過采用先進的掘進機械和支護系統(tǒng)，施工團隊可以在不同地質(zhì)條件下提高作業(yè)效率，從而保證礦山長期穩(wěn)定運行，維持礦工的工作環(huán)境安全。因此，巷道掘進和支護技術(shù)在煤炭采礦工程中發(fā)揮決定性作用是煤炭工業(yè)持續(xù)發(fā)展的可靠保障。

1煤炭采礦工程巷道掘進技術(shù)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

巷道的設(shè)計需基于其功能、地理位置、形狀和尺寸，并考慮圍巖的類型、特性和狀態(tài)。通過精確的計算和科學(xué)的分析，工程師確定掘進和支護方式，設(shè)計最佳的斷面形狀、尺寸和坡度，以及適宜的曲率和間距參數(shù)。具體來說，巷道的結(jié)構(gòu)設(shè)計首先需要詳盡的地質(zhì)勘查，以獲取礦體的精確信息，包括位置、大小、形狀和取向。利用地球物理和地球化學(xué)探測技術(shù)，深入了解礦體及其周邊巖層的詳細數(shù)據(jù)，再依據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合水文條件、巖石硬度和應(yīng)力狀態(tài)，選擇合適的掘進策略。例如：對于傾斜或立體的礦體，采用垂直井或斜井的掘進方案；對于較為扁平的礦體結(jié)構(gòu)，則優(yōu)先選擇水平巷道掘進方法，以提高效率。巷道的斷面設(shè)計采用圓形、馬蹄形或矩形，具體選擇基于圍巖的穩(wěn)定性和巷道的用途來確定[1]。例如：馬蹄形斷面多用于主運輸巷道，因其頂部較寬可以容納設(shè)備和運輸車輛；矩形或圓形斷面則常用于輔助通風(fēng)或逃生通道。巷道寬度一般設(shè)置在4～6m之間，高度約為3～5m，旨在有效地承受上覆巖層壓力，為設(shè)備和人員提供必要的操作空間。為了保證載重車輛的安全行駛，巷道坡度設(shè)計不超過8%，減少運輸過程中的滑車現(xiàn)象。

同時，巷道的曲率半徑應(yīng)至少為15m，以適應(yīng)大型機械的轉(zhuǎn)向需求，并防止在曲線部分的車輛翻倒。根據(jù)巖石硬度和其他掘進要求，合理選用巷道掘進機、鉆爆設(shè)備等，同時設(shè)置臨時支護措施預(yù)防巷道塌陷，確保施工過程的安全性。此外，還需對瓦斯聚集、涌水、巖爆等潛在風(fēng)險進行監(jiān)測和評估，確保巷道掘進工作的順利進行。在巷道布置方面，對于采場巷道的布置，需沿礦體走向或傾向進行，盡量減少與采場幫壁的接觸，以減少圍巖松動。對于巷道的斜度、長度和寬度，也需根據(jù)采場條件、頂板情況和巖石物理力學(xué)性質(zhì)綜合考慮。例如，在底板較穩(wěn)定的中段，巷道應(yīng)布置在巖層中；若底板不穩(wěn)定，則應(yīng)考慮布置在距底板較遠的一側(cè)[2]。對于薄、中厚或厚大礦體等不同類型的礦體，需要對巷道的位置和傾角進行針對性設(shè)計，以保證開采效率和巷道的長期穩(wěn)定性。

1.2控制掘進流程

對于掘進機械設(shè)備的選擇，需根據(jù)巷道類型和地質(zhì)條件進行優(yōu)化。對于硬巖巷道，選擇功率范圍在200～500kW的懸掛式掘進機，其鉆頭直徑可達150mm，適用于完成復(fù)雜的巖石掘進任務(wù)；對于軟巖或煤層巷道，推薦使用功率在100kW以下的全自動割煤機，這種機器的切割寬度可達3m，適合低硬度巖層的快速切割。不同的掘進技術(shù)，如全煤巖掘進或綜合掘進技術(shù)，根據(jù)具體情況搭配使用，以適應(yīng)巷道的地質(zhì)特點。針對特定施工需求，部署單體鉆機、液壓鑿巖車和風(fēng)動鑿巖車等，以適應(yīng)不同的掘進和支護任務(wù)。采用綜合機械化掘進方法，結(jié)合全煤巖掘進技術(shù)和半煤半巖石掘進技術(shù)，實施巷道掘進。這些技術(shù)的應(yīng)用需配合高效的掘錨一體機，這類設(shè)備配置有自動化錨桿安裝系統(tǒng)，錨桿長度從1.8～2.4m不等，直徑為22mm，以適應(yīng)不同的地質(zhì)強度和穩(wěn)定需求。地測部門采集關(guān)于巖性、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装宸€(wěn)定性及水文地質(zhì)的數(shù)據(jù)，據(jù)此制定出具體的貫通策略[3]。

在掘進的關(guān)鍵階段，如貫通前60m至貫通點，需展開詳盡的瓦斯監(jiān)測和頂板支護。巷道掘進時，每隔10m需重新評估地質(zhì)條件和掘進設(shè)備配置，確保掘進參數(shù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)的匹配。在貫通階段的風(fēng)險管理中，特別關(guān)注通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整和瓦斯管理。調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的措施包括分析貫通前后的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化，以及詳細記錄調(diào)整通風(fēng)設(shè)施的位置、類型、結(jié)構(gòu)和建設(shè)時間。在貫通實施前，需進行至少5個方向的鉆孔探測，并采用集體貫通制度，確保所有參與部門在貫通時的同步操作和安全。

1.3控制瓦斯排放

為確保瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.0%甲烷濃度的安全閾值以下，施工團隊在掘進前沿每20m設(shè)置甲烷傳感器等高靈敏度的瓦斯檢測儀器，實時監(jiān)測空氣中的甲烷濃度，并在檢測到高瓦斯?jié)舛葧r觸發(fā)警報。利用安裝在煤層中的抽放鉆孔控制瓦斯，這些鉆孔直接接觸煤層，可以抽取存于其中的瓦斯，鉆孔直徑設(shè)置為100～150mm，根據(jù)地質(zhì)情況確定其深入煤層的長度，一般為20～100m。針對煤巷掘進工作面，探測和鉆掘是關(guān)鍵步驟。在掘進前，應(yīng)使用地質(zhì)探針或先進的探礦設(shè)備來評估瓦斯分布情況。在爆破前，必須進行詳細的瓦斯檢查，確保瓦斯?jié)舛仍诎踩秶鷥?nèi)。鉆孔瓦斯?jié)舛热舫^40%，必須先抽放瓦斯后才能進行裝藥爆破。在實施爆破作業(yè)時，須在爆破前后30min內(nèi)進行密集的瓦斯檢測，確保無瓦斯超標風(fēng)險再啟動作業(yè)[4]。在掘進作業(yè)中，為防止瓦斯超標，使用長度可達200m的風(fēng)筒系統(tǒng)，確保風(fēng)筒末端與工作面的距離不超過10m，以保持足夠的通風(fēng)量和風(fēng)速，風(fēng)速維持在0.5～1.0m/s。在特定工作條件下，如掘進面接近高瓦斯區(qū)域或地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，采取增加通風(fēng)量的措施，風(fēng)速可提高至1.5m/s，迎頭通風(fēng)不足時，應(yīng)及時延接風(fēng)筒。尤其是在貫通或揭露老巷（鉆孔）期間，必須先恢復(fù)老巷通風(fēng)或制定專項透老巷措施。此外，所有掘進工作面的瓦斯抽采孔都應(yīng)執(zhí)行“成一孔抽一孔”的原則，防止多個鉆孔瓦斯同時大量涌出，造成安全風(fēng)險。

1.4通風(fēng)防塵工作

通過使用高效能風(fēng)機來實現(xiàn)機械通風(fēng)，這些風(fēng)機具有強制輸送空氣的能力，實現(xiàn)巷道內(nèi)的換氣和壓力平衡。例如：安裝具有至少10000m3/h的流量能力和2000Pa的靜壓力的軸流風(fēng)機，以覆蓋更長的巷道距離，這些風(fēng)機的布置需根據(jù)巷道的具體地質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確保有效的空氣流通。自然通風(fēng)則利用巷道內(nèi)外的溫度、壓力和密度差異，促進空氣的自然流動。在設(shè)計時，考慮巷道的傾角和走向，利用重力和溫差來引導(dǎo)空氣流動，減少能耗。

在防塵方面，施工期間的灑水系統(tǒng)是關(guān)鍵。通過在巷道掘進機前端和煤壁旁設(shè)置噴水裝置，不僅可以有效地抑制粉塵飛揚，還可以在一定程度上減少瓦斯的積聚。噴嘴的設(shè)計要確保噴水覆蓋整個工作面，而水壓需維持在200～400kPa之間，以形成細小的水霧粒子，有效降低空氣中的粉塵濃度。

此外，為了更有效地控制瓦斯和粉塵的濃度，需根據(jù)巷道的長度、斷面以及瓦斯涌出量來定制通風(fēng)管道系統(tǒng)。通風(fēng)管道需有足夠的直徑（600～1200mm之間），以保持足夠的風(fēng)量和風(fēng)速，風(fēng)速在2～5m/s之間，以有效稀釋瓦斯和粉塵。巷道內(nèi)部的通風(fēng)布局也需科學(xué)規(guī)劃，采用局部通風(fēng)系統(tǒng)將新鮮空氣直接送入工作，設(shè)置風(fēng)門控制巷道內(nèi)的氣流方向和速度。對于通風(fēng)防塵系統(tǒng)的運行狀態(tài)，需要通過安裝在巷道各關(guān)鍵點的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀進行實時監(jiān)控，這些監(jiān)測儀能夠測量空氣中的甲烷、二氧化硫、一氧化碳等有害氣體的濃度，以及空氣中的粉塵濃度，通過傳感器，實時把數(shù)據(jù)傳輸至中控室，工作人員可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整風(fēng)機功率和噴水系統(tǒng)，確保巷道內(nèi)環(huán)境符合安全健康標準。

2.煤炭采礦工程支護技術(shù)

2.1混凝土支護技術(shù)

對于預(yù)制混凝土襯砌，通過在地面預(yù)制具有特定彎曲強度和抗壓強度的混凝土板，然后將其運輸至礦井下安裝。這種襯砌板的尺寸根據(jù)巷道的尺寸定制，一般厚度為150～300mm，以確保足夠的結(jié)構(gòu)強度。在安裝前，需對預(yù)制板進行表面處理，以確保其與巷道圍巖間有良好的接觸和結(jié)合。安裝時，使用專用的連接件和環(huán)氧樹脂等密封材料來固定并密封襯砌板，防止水和其他地下液體的滲入。噴射混凝土技術(shù)通過使用濕噴或干噴機械設(shè)備，將混凝土噴射到巷道的圍巖表面上。在噴射前，首先對圍巖表面進行清理，去除松動的巖石和灰塵，然后施加一層粘結(jié)劑以增強噴射混凝土與圍巖的粘結(jié)力。混凝土的配比包括水泥、砂、石子和必要的添加劑，以提高其流動性、粘附性和快速硬化性。在噴射過程中，噴射厚度控制在100～200mm，根據(jù)地質(zhì)情況，可能需要分層噴射，每層間隔時間為幾小時到1d，以確保每層混凝土的適當(dāng)固化。混凝土錨桿的使用為巷道提供了附加的穩(wěn)定性，錨桿的安裝包括鉆孔、安裝鋼筋或纖維錨桿、注入灌漿。根據(jù)地質(zhì)條件和錨桿，設(shè)計鉆孔的深度和直徑，直徑為25～40mm。使用的灌漿材料為特殊的水泥基混合物，其具有良好的流動性和早期強度，能夠在錨桿周圍形成堅固的圓柱體，提高錨固力。

2.2錨桿支護技術(shù)

根據(jù)圍巖的條件和巷道的具體需求，選擇鋼筋錨桿或纖維錨桿。鋼筋錨桿普遍用于較硬的巖石中，其直徑一般為20～25mm，長度從1.5m到4m不等，以適應(yīng)不同的巖石條件和支護需求。纖維錨桿則適用于較松散或濕潤的地層，因其更好的抗腐蝕性和柔韌性，適合復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。在使用鉆孔機進行鉆孔時，鉆孔的直徑必須稍大于錨桿的直徑，以確保錨桿可以順利安裝。依據(jù)工程設(shè)計鉆孔深度，為錨桿長度加上10～30cm的儲備長度。根據(jù)巷道的斷面尺寸和巖層情況精確測量和規(guī)劃鉆孔位置和間距，形成均勻的支護網(wǎng)絡(luò)。錨桿安裝包括將錨桿插入鉆孔并使用適當(dāng)?shù)腻^固劑固定。錨固劑常用的有快速硬化的水泥漿或樹脂，這些材料能迅速在錨桿與巖石間形成強力的粘結(jié)。對于水泥漿的比例調(diào)配，需要根據(jù)廠家的規(guī)格進行，確保最佳的粘結(jié)效果。在深鉆孔或潮濕條件下，可能優(yōu)先選擇樹脂作為錨固劑，因其擁有快速固化和優(yōu)越的水中性能。在錨桿安裝后，使用液壓張拉設(shè)備進行張拉，對每根錨桿施加100～200kN張力。張拉后，錨桿的外端用金屬板和螺母固定，以維持張力狀態(tài)。采用拉力測試儀和位移傳感器等設(shè)備定期檢測已安裝錨桿的張力和位移情況，確保其在長期負載下的穩(wěn)定性和安全性。此外，對錨桿進行定期視覺檢查，查找任何可能的腐蝕或損傷，并進行必要的維護。

2.3預(yù)留煤柱支護技術(shù)

此技術(shù)通過在開采區(qū)域內(nèi)有計劃地預(yù)留煤柱，以維持巷道的穩(wěn)定性，減少地表沉降，并控制礦區(qū)的壓力環(huán)境。煤柱尺寸和形狀的決定因素包括煤層的厚度、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、覆巖深度及預(yù)期的采礦壓力。在礦區(qū)規(guī)劃階段，煤柱被劃分為規(guī)則的網(wǎng)格模式，每個網(wǎng)格代表一個采礦單元。網(wǎng)格的尺寸直接關(guān)聯(lián)到煤柱的大小，常見的尺寸為10m×10m～30m×30m，根據(jù)煤層的安全裕度和經(jīng)濟效益對其進行調(diào)整。在采礦作業(yè)中，需嚴格規(guī)劃每個網(wǎng)格的開采順序和方式，以最小化對煤柱結(jié)構(gòu)完整性的影響。對煤柱的定位，通常考慮如何有效控制開采區(qū)與未開采區(qū)之間的應(yīng)力分布，煤柱應(yīng)均勻分布在巷道周圍，特別是在重要結(jié)構(gòu)如通風(fēng)系統(tǒng)和運輸路線的附近，以增強整體的穩(wěn)定性。在施工過程中，通過使用高精度的地面和地下測量設(shè)備，確保每個煤柱按設(shè)計精確放置[5]。此外，為了提高煤柱的承載能力，可采用化學(xué)注漿技術(shù)，通過在煤柱內(nèi)部注入化學(xué)樹脂或水泥漿體來增加其穩(wěn)定性，這種方法特別適用于存在大面積空洞或裂縫的煤柱，能有效提高煤柱的整體強度和抗變形能力。

2.4剛性支架支護技術(shù)

對于剛性支架的設(shè)計與安裝，首先需要根據(jù)地質(zhì)條件和巷道尺寸進行詳細規(guī)劃。支架的主要組成部分包括立柱、橫梁和頂板，每個部件的規(guī)格和材質(zhì)都需精心選擇。通常，支架立柱采用Q235或Q345鋼等高強度鋼材，直徑在200～300mm之間，壁厚為8～12mm，以提供足夠的承載能力和抗變形性能。對于橫梁和頂板的設(shè)計，則需考慮與立柱的連接方式和支撐區(qū)域的覆蓋范圍，確保結(jié)構(gòu)的整體性。在具體施工中，首先，進行巷道的清理和初步測量，以確定支架的安裝位置，間距為1.0～1.5m；然后，安裝立柱，確保其垂直度和位置精確。立柱通常通過底部的基座固定在地面上，基座采用鋼板和錨栓固定，確保立柱在受到圍巖壓力時不會發(fā)生位移。安裝橫梁時，采用高強度螺栓或焊接方式將其固定在立柱上，橫梁的長度需與巷道寬度相匹配，通常為3～4m。頂板的安裝則需覆蓋整個巷道頂面，頂板通常采用鋼板或預(yù)制混凝土板，厚度在10～20mm之間，以提供足夠的抗壓強度。頂板與橫梁之間采用焊接或螺栓連接，確保頂板在受到圍巖壓力時能夠有效傳遞和分散應(yīng)力。在安裝過程中，需使用專業(yè)設(shè)備如液壓起重機和高精度水平儀，確保每個部件的安裝位置和角度符合設(shè)計要求。安裝完成后，全面檢查整個支架系統(tǒng)，包括連接件的緊固情況、立柱的垂直度和頂板的平整度等。必要時，使用混凝土灌漿對立柱基座進行加固，以提高支架系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

3結(jié)語

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的掘進流程控制可以保證巷道的穩(wěn)定性；使用高效的氣體檢測儀器和抽放系統(tǒng)進行高效的瓦斯排放管理，保障礦井環(huán)境安全；通過科學(xué)的通風(fēng)防塵措施，利用機械通風(fēng)和灑水系統(tǒng)，有助于提升空氣質(zhì)量。混凝土支護技術(shù)通過預(yù)制混凝土襯砌和噴射混凝土增強巷道強度；錨桿支護技術(shù)使用高強度鋼筋或纖維錨桿提高巖層穩(wěn)定性；預(yù)留煤柱支護技術(shù)通過合理布局和監(jiān)測提高巷道承載能力；剛性支架支護技術(shù)利用高強度鋼材和精密安裝確保巷道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。通過綜合應(yīng)用這些技術(shù)，煤炭采礦工程能夠在復(fù)雜地質(zhì)條件下實現(xiàn)安全、高效的生產(chǎn)目標。

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