探析煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)

楊 磊 高 遠(yuǎn)

（河南平寶煤業(yè)有限公司，河南 許昌 450670）

由于開掘煤礦井下巷道之后，生產(chǎn)應(yīng)力會(huì)進(jìn)行重新的分布，此時(shí)若頂板支護(hù)不及時(shí)，煤礦井下巷道圍巖就很有可能產(chǎn)生位移、變形、破壞等問題。因此，為保障煤礦井下巷道掘進(jìn)施工的安全順利開展，就要求在巷道掘進(jìn)過程中，要加強(qiáng)頂板支護(hù)控制與管理。就煤礦企業(yè)而言，煤礦井下巷道的掘進(jìn)施工不僅要考慮到礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、掘進(jìn)工藝與設(shè)備、掘進(jìn)速度，還要考慮到施工的組織管理以及施工速度以及施工人員素質(zhì)的提升等多方面，是一項(xiàng)系統(tǒng)且復(fù)雜的工程。因此，如何加強(qiáng)煤礦井下掘進(jìn)工作面頂板支護(hù)控制是當(dāng)前煤炭企業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。

1 常見的煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)方式

煤礦井下巷道支護(hù)主要經(jīng)歷了木支架支護(hù)、砌碹支護(hù)、可縮性支架支護(hù)以及錨桿支護(hù)等幾個(gè)階段。在煤礦的巷道掘井的支護(hù)形式中，錨桿支護(hù)、礦用支護(hù)型鋼以及可縮性支架支護(hù)等是比較典型的支護(hù)形式。

1.1 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是我國煤礦巷道首選的支護(hù)方式，錨桿支護(hù)可有效改善煤礦巷道的布置方式，能有效提高煤礦煤炭產(chǎn)量以及效益。該支護(hù)方式主要運(yùn)用的支護(hù)構(gòu)件有錨桿桿體、錨桿托板、錨固劑、鋼帶以及網(wǎng)等。其中，錨桿的主要作用在于抗剪與抗拉；而托板即是圍巖與錨桿尾部相互接觸的構(gòu)件，其主要作用在于：通過施加適當(dāng)?shù)呐ぞ亟o螺母，從而使巷道的表面受到托板緊壓，以此提供預(yù)緊力給錨桿，并擴(kuò)散到煤巖體中，使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)得以有效改善，從而抑制圍巖節(jié)理裂隙張開、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)或者圍巖離層等問題；同時(shí)托板還能夠?qū)鷰r變形產(chǎn)生的荷載傳遞給錨桿桿體，從而使錨桿的工作阻力增大，有效抑制圍巖變形。網(wǎng)緊貼于巷道表面，能夠提供支護(hù)力并起到防止圍巖中的破碎巖塊跨落的作用。

1.2 礦用支護(hù)型鋼

工字鋼與U 型鋼是當(dāng)前煤礦礦用支護(hù)型鋼的兩種主要的類型。通常而言，在煤礦的橢圓形、半圓形以及圓形的巷道斷面中，這類礦用支護(hù)型鋼因其具有良好的韌性、且抗剪、抗壓與抗拉的能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用非常廣泛。由于煤礦巷道掘進(jìn)的工作環(huán)境非常復(fù)雜，因此，就給礦用支護(hù)型鋼的使用提出了更高的性能要求。一方面，煤礦井下巷道掘進(jìn)中產(chǎn)生的橫向的荷載以及豎向的推動(dòng)力均須由支護(hù)架承擔(dān)，就要求使用的支護(hù)架在橫向與縱向的兩個(gè)方向上，都要具備足夠的負(fù)荷承載能力。同時(shí)，截面抵抗矩直接影響著礦用支護(hù)型鋼的斷面集合參數(shù)，因此，煤礦巷道支架的負(fù)荷承載能力應(yīng)與截面抵抗矩的相應(yīng)數(shù)值接近。另一方面，煤礦巷道支架的可縮性能決定著礦用支護(hù)型鋼的集合形狀，這就要求在滑移或者鎖緊其集合形狀時(shí)，要確保礦用支護(hù)型鋼的受力狀況要好，接觸面面積盡可能大，且能進(jìn)行平穩(wěn)地滑移。

1.3 可縮性支架支護(hù)

一般情況下，金屬支架的負(fù)荷承載能力主要表現(xiàn)在兩方面：一是極限承載能力；二是實(shí)際承載能力。極限承載能力是指煤礦巷道的可縮性支架在其剛性過程中所呈現(xiàn)出的最大負(fù)荷承載能力。煤礦巷道支架是否發(fā)生塑性變形決定了支架極限承載能力的達(dá)標(biāo)狀況。實(shí)際承載能力指的是煤礦巷道的可縮性支架在其收縮的過程中呈現(xiàn)出的負(fù)荷承載能力，它主要受到煤礦巷道支架的工作狀況以及連接件的影響。通常而言，在煤礦巷道支架的實(shí)際承載能力與極限承載能力相差不大的情況下，巷道的可縮性支架狀態(tài)最好。

2 煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)問題及其影響因素

2.1 煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)的問題分析

2.1.1 圍巖的穩(wěn)定性較差，致使煤礦巷道支護(hù)難度大。在煤礦井下巷道掘進(jìn)施工中，若圍巖發(fā)生位移或產(chǎn)生過大變形，造成巷道特別是巖體松軟地段巷道的嚴(yán)重破壞，就會(huì)使支護(hù)在經(jīng)過多次返修之后仍然不達(dá)標(biāo)。因此，巷道變形的問題無法通過支護(hù)進(jìn)行徹底地解決。

2.1.2 圍巖產(chǎn)生變形甚至被破壞，頂板缺乏合理的固定。在煤礦井下巷道掘進(jìn)過程中，圍巖巖體遇水會(huì)產(chǎn)生巨大的膨脹力，加之受到過大的擠壓力，從而使圍巖發(fā)生變形，使巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞。同時(shí)，在巷道的掘進(jìn)施工中，頂板受地質(zhì)因素影響，通常會(huì)有零塊掉落現(xiàn)象出現(xiàn)；加上層理與節(jié)理的發(fā)育，常常會(huì)使片幫煤增加，頂板裂縫增多并張開，甚至出現(xiàn)圍巖離層，極易造成冒頂事故，加大了頂板支護(hù)的難度。

2.2 影響煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)的因素

煤礦井下巷道掘進(jìn)施工中，影響頂板支護(hù)的因素多種多樣，如煤礦的地質(zhì)構(gòu)造以及施工工藝等，具體主要有以下幾方面。

2.2.1 煤礦的地質(zhì)構(gòu)造因素。在煤礦井下巷道的掘進(jìn)施工中，煤礦的層理以及節(jié)理發(fā)育狀況、褶曲構(gòu)造或者是掘進(jìn)工作面煤巖的硬度情況、頂板以及底板的穩(wěn)定性都會(huì)影起巷道的頂板支護(hù)問題。對(duì)于地質(zhì)與基礎(chǔ)條件較好的地段，可實(shí)現(xiàn)快速地掘進(jìn)；然而對(duì)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的地段，巷道掘進(jìn)施工的質(zhì)量以及掘進(jìn)的速度都會(huì)受到嚴(yán)重影響。例如，在褶曲斷層地質(zhì)構(gòu)造中，極易引起煤層厚度變化巨大，造成煤巖層缺乏穩(wěn)定性，從而使頂板碎裂，造成垮落事故以及頂板支護(hù)的問題。

2.2.2 施工工藝因素?，F(xiàn)階段，我國煤礦在巷道的掘進(jìn)施工中，主要運(yùn)用鉆爆法進(jìn)行掘進(jìn)施工，并以錨噴支護(hù)為主要的支護(hù)方式，相較于傳統(tǒng)的砌碹支護(hù)以及架棚支護(hù)而言，其掘進(jìn)的速度以及施工質(zhì)量都有很大提高。但在掘進(jìn)施工實(shí)踐中，仍存在著裝藥量控制失當(dāng)以及炮眼缺乏有效掌握等問題，從而降低了錨網(wǎng)噴支護(hù)的質(zhì)量。此外，對(duì)于煤礦井下一些巷道較為密集的地方，當(dāng)開掘其中一條巷道之后，巖體的地應(yīng)力平衡就會(huì)遭到破壞，若再進(jìn)行另一條巷道施工，從而形成了兩個(gè)掘進(jìn)工作面的疊加，使地應(yīng)力增大，也加大了頂板支護(hù)的難度。

3 煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)控制的技術(shù)管理措施

3.1 加強(qiáng)技術(shù)準(zhǔn)備，提升巷道頂板的承載能力

強(qiáng)化巷道掘進(jìn)施工前的技術(shù)準(zhǔn)備。（1）根據(jù)煤礦礦壓觀測(cè)資料、 實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)造以及巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)等具體情況，選擇與煤礦井下巷道施工現(xiàn)場(chǎng)最適合的支護(hù)方式；同時(shí)針對(duì)重點(diǎn)施工部分，如冒頂處理、掘進(jìn)工作面巷道開口等，要預(yù)先制定相應(yīng)的安全技術(shù)方案。（2）強(qiáng)化巷道掘進(jìn)施工設(shè)計(jì)，并明確支設(shè)方式、臨時(shí)支護(hù)形式以及材料數(shù)量與尺寸等，嚴(yán)格執(zhí)行掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程。

煤礦巷道掘進(jìn)施工中，無論選用哪種支護(hù)結(jié)構(gòu)，都要確保開掘巷道要最大程度的光滑與平整，因此選用的爆破方式通常采用光面爆破方式，并輔以錨噴支護(hù)方式，從而使圍巖的完整性與穩(wěn)定性得以保護(hù)，并降低煤巖層的松動(dòng)程度，使頂板自身承受負(fù)荷的能力得以加強(qiáng)，使支護(hù)體結(jié)構(gòu)與圍巖共同完成承載作用。

3.2 強(qiáng)化支架強(qiáng)度以及圍巖釋壓與讓壓的協(xié)調(diào)能力

煤礦井下巷道在進(jìn)行初掘之后，極易使巷道產(chǎn)生位移與變形，這就要求選擇支護(hù)方式時(shí)，盡量選擇初具柔性后具剛性的支護(hù)結(jié)構(gòu)，緩解巷道位移與變形的問題，同時(shí)還有利于巷道空間的完整性的保持，大幅降低返修量以及返修次數(shù)。鑒于此，要加強(qiáng)支架強(qiáng)度以及圍巖釋壓與讓壓的協(xié)調(diào)作用，增強(qiáng)巷道支護(hù)體的強(qiáng)度，并使圍巖在適當(dāng)范圍內(nèi)變形，進(jìn)行圍巖的釋壓，強(qiáng)化頂板支護(hù)效果。

3.3 加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)工藝與設(shè)備的投入力度

采用先進(jìn)的巷道掘進(jìn)施工技術(shù)。（1）對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造與基礎(chǔ)條件比較好的煤礦巷道施工而言，可選用整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、中心相對(duì)較低、機(jī)身較矮、破巖能力較強(qiáng)的巷道綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工技術(shù)。該掘進(jìn)施工技術(shù)主要由懸臂式掘進(jìn)機(jī)、單體錨桿鉆機(jī)以及供電設(shè)備等組成，具有較強(qiáng)的生產(chǎn)能力，并對(duì)各種地質(zhì)條件都比較適應(yīng)。該掘進(jìn)施工技術(shù)采用液壓馬達(dá)，能夠直接驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)增設(shè)了自動(dòng)加油裝置，穩(wěn)定性與可靠性高；PLC 技術(shù)作為該技術(shù)電氣系統(tǒng)的主要控制技術(shù)，還有故障診斷以及工礦檢測(cè)等功能。（2）對(duì)于大斷面的煤層而言，可采取連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)施工技術(shù)。在多巷快速煤礦掘進(jìn)施工以及矩形斷面雙巷掘進(jìn)施工中，該掘進(jìn)施工技術(shù)應(yīng)用廣泛。采用該技術(shù)進(jìn)行大斷面煤礦巷道掘進(jìn)時(shí)，在采用連續(xù)采煤機(jī)開掘運(yùn)輸巷道時(shí)，在回風(fēng)巷道中，錨桿鉆車可同時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)作業(yè)，兩者還能實(shí)現(xiàn)連續(xù)交叉作業(yè)。

加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)施工的設(shè)備投入。在煤礦井下的巷道掘進(jìn)施工中，盡量推廣運(yùn)用錨索以及錨網(wǎng)等可縮性支架進(jìn)行支護(hù)，并進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)。同時(shí)，在小斷面煤礦巷道的掘進(jìn)施工中，可推廣使用鑿巖臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)鉆孔開孔、換釬返釬以及定位等的自動(dòng)化；在大斷面的煤礦巷道掘進(jìn)施工中，可加強(qiáng)使用綜掘機(jī)、TBM掘進(jìn)機(jī)以及盾構(gòu)機(jī)等，提升掘進(jìn)速度與施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一次成巷。

4 結(jié)語

綜上所述，在煤礦井下巷道掘進(jìn)施工中，巷道支護(hù)尤其是頂板支護(hù)是必不可少的環(huán)節(jié)，只有進(jìn)行準(zhǔn)確且及時(shí)地頂板支護(hù)，才能保障巷道掘進(jìn)施工安全正常進(jìn)行。因此，在煤礦的井下巷道掘進(jìn)施工中，要根據(jù)煤礦具體情況，合理選擇支護(hù)方式，提升巷道支護(hù)效果。同時(shí)，隨著巷道掘進(jìn)深度的增加，煤礦的壓力也隨之增大，從而使巷道頂板事故頻發(fā)。因此，在巷道掘進(jìn)施工中，還要注重運(yùn)用先進(jìn)掘進(jìn)施工工藝與設(shè)備，提升頂板的支護(hù)強(qiáng)度，保障巷道掘進(jìn)施工順利安全開展。

[1]徐尤松,宛禮平.對(duì)軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)的探索[A].中國煤炭學(xué)會(huì)、煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院.中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專業(yè)委員會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].中國煤炭學(xué)會(huì)、煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院,2009:3

[2]郭中平.關(guān)于軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)的探索[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì),2012,(12):84－85

[3]李超.略論煤礦井下巷道掘進(jìn)銜接工作的開展[J].科技風(fēng),2013,(04):132

[4]徐尤松,宛禮平.對(duì)軟巖礦井巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)的探索[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009,S1:171－172

[5]康紅普,王金華,林健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,(04):649－664

[6]徐飛,任慶峰,宗琦.煤礦井下巷道掘進(jìn)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析[J].煤礦爆破,2010,(04):9－11

[7]鄢耀.煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)研究[J].河南科技,2013,(12):35

[8]翟黨帥.井下巷道掘進(jìn)時(shí)的頂板管理研究[J].科技資訊,2012,(02):167