淺析煤礦巷道的支護(hù)形式及在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

劉騰飛

【摘 要】眾所周知，煤礦掘進(jìn)工作支護(hù)安全問(wèn)題是困擾煤炭生產(chǎn)多年的一項(xiàng)技術(shù)難題。本文系統(tǒng)歸納了煤礦冒頂事故的特點(diǎn)和原因，探討了煤礦巷道的相關(guān)支護(hù)形式及技術(shù)，通過(guò)探討幾個(gè)影響煤巷錨桿支護(hù)安全可靠性的因素，提出了改進(jìn)錨桿支護(hù)質(zhì)量的相應(yīng)措施，以加強(qiáng)我們的采礦專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】煤礦巷道；支護(hù)形式；巷道掘進(jìn)；影響因素

引言

我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，呈現(xiàn)多樣性，煤層厚度從零點(diǎn)幾米到幾十米之間變化，為了開(kāi)采煤炭，需要開(kāi)掘大量的煤巖巷道。支護(hù)的安全問(wèn)題是長(zhǎng)期困擾煤炭生產(chǎn)的技術(shù)難題，由于巷道掘進(jìn)后頂板不能及時(shí)得到有效的支護(hù)，經(jīng)常會(huì)造成頂板掉矸傷人事故。錨桿支護(hù)是我國(guó)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向，是一種先進(jìn)的支護(hù)方式。煤巷錨桿支護(hù)作為煤巷支護(hù)改革的主要手段已得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但也發(fā)生過(guò)重大支護(hù)失效事故。因此，在煤巷使用錨桿支護(hù)時(shí)，除遵循常規(guī)的規(guī)范和安全分析外，還必須將穩(wěn)定可靠性作為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)研究指標(biāo)，以保證錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有足夠的可靠度。

1.冒頂事故的特點(diǎn)和原因

1.1冒頂事故的特點(diǎn)

冒頂事故一般都是在地質(zhì)條件發(fā)生變化的地點(diǎn)，如有小斷層、巖石破碎、頂板裂隙發(fā)育或近距離煤層的層間距變小、頂板錨桿錨固點(diǎn)附近有煤線或有明顯的極易離層的巖層弱面存在。一般范圍較大，基本在巷道成巷部分，大多發(fā)生在掘進(jìn)施工期間，且大多發(fā)生在瞬間，隨機(jī)性很大。

1.2冒頂事故的原因

造成冒頂事故的原因主要在支護(hù)設(shè)計(jì)方面和生產(chǎn)管理方面。支護(hù)設(shè)計(jì)方面存在重視頂板支護(hù)而輕視巷幫支護(hù)設(shè)計(jì)，巷幫支護(hù)強(qiáng)度不夠，錨固力低，支護(hù)效果差，造成煤壁松軟，發(fā)生片幫后，巷道跨度增大，引起應(yīng)力重新分布，致使頂板懸頂面積增大，最后頂板靠近煤幫破斷，發(fā)生大面積冒落。生產(chǎn)管理方面表現(xiàn)在技術(shù)管理和質(zhì)量管理不到位。在頂板巖性發(fā)生變化時(shí)，區(qū)隊(duì)沒(méi)有及時(shí)將信息反饋給技術(shù)部門(mén)，最終導(dǎo)致頂板事故發(fā)生。

2.煤礦巷道的支護(hù)形式

2.1砌碹支護(hù)

砌碹支護(hù)是應(yīng)用很早的支護(hù)方式，目前在一些礦井的硐室、大巷中仍然采用。按砌碹支護(hù)材料可分為：料石、混凝土砌塊、現(xiàn)澆混凝土、現(xiàn)澆鋼筋混凝土等。但是，砌碹支護(hù)屬于剛性被動(dòng)支護(hù)，不僅支護(hù)成本高、施工速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且不能適應(yīng)圍巖大變形。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。

2.2棚式支架

煤礦巷道的主要支護(hù)方式是棚式支護(hù)，在20世紀(jì)90年代初，這種支護(hù)所占的比重高達(dá)80%以上。按支護(hù)材料可分為木支架、鋼筋混凝土支架及金屬支架，其中木支架與鋼筋混凝土支架已經(jīng)逐步被淘汰。金屬支架按工作原理分剛性與可縮性支架；按支架材料分為工字鋼、U型鋼及其它；按斷面分為梯形、拱形、圓形、環(huán)形。但是，棚式支架也屬于被動(dòng)支護(hù)，支架與巷道表面很難密切接觸，控制圍巖早期變形的能力差，在復(fù)雜困難條件下支護(hù)效果差、成本高。棚式支架的用量在逐年減少，被錨桿支護(hù)逐漸替代。

2.3錨噴支護(hù)

1956年開(kāi)始我國(guó)煤礦在巖巷中開(kāi)始使用錨噴支護(hù)，至今已有50多年的歷史。噴射混凝土可及時(shí)封閉巷道周邊，實(shí)施密貼支護(hù)，減少水、風(fēng)對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響。錨桿可及時(shí)支護(hù)圍巖，起到主動(dòng)加固作用，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。經(jīng)過(guò)多年來(lái)連續(xù)不斷的研究、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用，錨噴支護(hù)技術(shù)無(wú)論在支護(hù)理論、支護(hù)設(shè)計(jì)，還是支護(hù)材料、施工機(jī)具與工藝、質(zhì)量檢測(cè)與礦壓監(jiān)測(cè)方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展。錨噴支護(hù)不僅成為巖巷首選的、性能優(yōu)越的支護(hù)形式，而且錨桿支護(hù)也成為煤巷的主體支護(hù)方式。

2.4注漿加固

在破碎煤巖體中開(kāi)掘或維修巷道，采用棚式支護(hù)或錨桿支護(hù)很難取得較好的支護(hù)效果，圍巖注漿加固是一條有效途徑。注漿漿液可充填圍巖裂隙，將破碎巖體固結(jié)，改善圍巖結(jié)構(gòu)，增加圍巖自身承載能力。目前注漿材料主要有兩大類(lèi)型：水泥基材料和高分子材料，可根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件選取。

2.5復(fù)合支護(hù)

復(fù)合支護(hù)是采用兩種或兩種以上的支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)巷道。如果能充分發(fā)揮每種支護(hù)方式的支護(hù)性能，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，復(fù)合支護(hù)會(huì)有更好的支護(hù)效果和更廣泛的適用范圍。復(fù)合支護(hù)雖然適用范圍廣，但支護(hù)費(fèi)用高，成巷速度慢，支護(hù)形式選擇不匹配時(shí)，往往造成各個(gè)擊破的情況。應(yīng)針對(duì)巷道具體條件，選擇合理的復(fù)合支護(hù)形式，才能達(dá)到預(yù)期效果。

2.6應(yīng)力控制技術(shù)

將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，或采取人工卸壓措施，使巷道周邊的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，是巷道圍巖變形控制的另一個(gè)途徑。將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)是首選的方法。巷道布置方向優(yōu)化、斷面形狀與尺寸優(yōu)化，均可改善巷道受力狀況。人工應(yīng)力控制措施主要有切縫、鉆卸壓孔、爆破及掘卸壓巷等方式。由于人工應(yīng)力控制方法施工比較復(fù)雜，目前還沒(méi)有大面積推廣應(yīng)用。

3.影響煤巷錨桿支護(hù)安全可靠性的幾個(gè)方面

煤巷錨桿支護(hù)的安全可靠性，是指所采用的錨桿支護(hù)系統(tǒng)，在巷道整個(gè)服務(wù)期間內(nèi)，滿足安全和生產(chǎn)需要的程度。從設(shè)計(jì)方法、地質(zhì)條件到錨桿施工質(zhì)量、工程監(jiān)測(cè)都影響到錨桿支護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性。

3.1設(shè)計(jì)方法

煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)系到巷道錨桿支護(hù)工程的質(zhì)量?jī)?yōu)劣、是否安全可靠以及是否經(jīng)濟(jì)合理等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)可分為工程類(lèi)比法、支護(hù)機(jī)理計(jì)算法、數(shù)值計(jì)算法。工程類(lèi)比法需要設(shè)計(jì)者有較多的工程經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)巷道類(lèi)別要準(zhǔn)確界定，是一種依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。根據(jù)錨桿支護(hù)機(jī)理理論進(jìn)行設(shè)計(jì)是針對(duì)某一理論的特定圍巖巖性和巖體結(jié)構(gòu)所采取的支護(hù)形式。隨著巖性和頂板結(jié)構(gòu)的變化，有時(shí)某一支護(hù)作用更顯突出，有時(shí)另一種支護(hù)機(jī)理起主導(dǎo)作用，目前尚未形成綜合各種支護(hù)機(jī)理的錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算方法。數(shù)值計(jì)算法是一種有前途的設(shè)計(jì)方法，目前還處于研究階段，獲得廣泛應(yīng)用還需要一定時(shí)間。

3.2地質(zhì)條件預(yù)測(cè)

巷道圍巖是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體，在進(jìn)行巷道布置和支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)圍巖各類(lèi)地質(zhì)力學(xué)條件充分了解。對(duì)于煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行多方面的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試。

3.2.1圍巖強(qiáng)度測(cè)試，在井下鉆孔中進(jìn)行巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試，與實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊強(qiáng)度測(cè)試相比，同時(shí)還可以測(cè)出軟弱破碎巖層的強(qiáng)度。

3.2.2圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試

利用光導(dǎo)纖維窺視儀，裂隙等結(jié)構(gòu)面的分布及發(fā)展變化。

3.2.3圍巖深部位移和破壞范圍測(cè)試。

3.2.4地應(yīng)力測(cè)試。

3.2.5錨固性能測(cè)試，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行錨桿拉拔破壞性實(shí)驗(yàn)錨固劑與巖層。錨桿之間的黏結(jié)性能以及桿體的破斷力，以此作為錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

3.3錨桿施工質(zhì)量

錨桿的錨固力與預(yù)拉力是兩個(gè)不同概念，錨桿的錨固力反映了錨桿固結(jié)巖的能力，而錨桿的預(yù)拉力大小反映了錨桿對(duì)圍巖的主動(dòng)加固能力。預(yù)拉力錨桿支護(hù)的關(guān)鍵是通過(guò)錨桿及附屬構(gòu)件對(duì)圍巖施加外力，使錨固范圍內(nèi)的頂板受水平應(yīng)力作用時(shí)處于橫向壓縮狀態(tài)，形成自撐機(jī)構(gòu)。在維護(hù)巖體自身穩(wěn)定的同時(shí)能承受上部載荷，維護(hù)巖體的連續(xù).穩(wěn)定。錨桿預(yù)拉力大到一定程度時(shí)。錨固范圍內(nèi)及錨固長(zhǎng)度之外的圍巖不存在離層破壞。目前煤巷錨桿支護(hù)普遍使用樹(shù)脂錨固劑，要想使錨桿有較大的預(yù)拉力，錨桿施工質(zhì)量要得到保證。

3.4工程監(jiān)測(cè)

煤巷錨桿支護(hù)工程監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容是對(duì)頂板離層及巷道位移量的監(jiān)測(cè)。頂板離層指巷道服務(wù)期內(nèi)頂板巖層中一點(diǎn)與其正上方一定深度巖層中某點(diǎn)的相對(duì)位移量，一般將離層劃分為錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層和錨固范圍外頂板離層。目前在煤礦中使用的頂板離層指示儀是以不同的顏色段對(duì)頂板錨固范圍內(nèi)和錨固范圍外離層情況提供連續(xù)的直觀顯示，以便向井下作業(yè)人員隨時(shí)警示頂板變化情況，及早發(fā)現(xiàn)頂板失穩(wěn)的征兆，便于采取必要的加固措施。實(shí)際使用中存在如何確定頂板離層界限的問(wèn)題。頂板離層界限是指錨桿支護(hù)巷道在正常使用情況下，所允許的頂板離層的范圍。超過(guò)這一范圍意味著頂板將處于非穩(wěn)定狀態(tài)之中，應(yīng)該密切注意頂板動(dòng)態(tài)，及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。

4.提高錨桿支護(hù)質(zhì)量的相應(yīng)措施

4.1加強(qiáng)技術(shù)管理

支護(hù)設(shè)計(jì)必須執(zhí)行圍巖、煤層條件分類(lèi)—支護(hù)設(shè)計(jì)—安全監(jiān)控與分析—修正完善設(shè)計(jì)的程序，且支護(hù)設(shè)計(jì)必須建立在對(duì)頂板和煤層條件有清晰認(rèn)識(shí)和判斷的基礎(chǔ)之上。支護(hù)設(shè)計(jì)完成后，必須進(jìn)行支護(hù)效果的觀測(cè)，支護(hù)形式必須隨施工條件的變化而改變，堅(jiān)持“幫頂同治”的思想。實(shí)踐證明，加固兩幫及底角，可以明顯抑制底板鼓起，提高圍巖的穩(wěn)定性，作用十分明顯。巷幫支護(hù)要全面淘汰初錨力低、錨固效果差的非金屬錨桿，采用金屬錨桿。另外，由于鋼筋梯子梁存在易撕裂、抗剪強(qiáng)度小、不能緊貼巖面、接觸面積小等不足，建議頂板支護(hù)推廣使用“W”或“M”型鋼帶，逐步淘汰金屬梯子梁。

4.2加強(qiáng)質(zhì)量管理

4.2.1加強(qiáng)施工管理

在現(xiàn)場(chǎng)施工中要提高錨桿預(yù)拉力，保證錨桿施工質(zhì)量。推廣應(yīng)用高性能錨桿，既要安裝方便，減小安裝時(shí)的摩擦力，保證預(yù)拉力的實(shí)現(xiàn)，又要有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量，將錨桿支護(hù)這一隱蔽性工程顯性化。采用大扭矩的錨桿施工機(jī)具，提高工人操作水平，保證錨桿安裝質(zhì)量，充分發(fā)揮錨桿在支護(hù)中的作用。

4.2.2加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管理

錨桿支護(hù)巷道頂板離層成因復(fù)雜，影響因素多，在實(shí)際生產(chǎn)中，要按要求安設(shè)多種監(jiān)測(cè)儀器，并充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)有的作用?，F(xiàn)在，已開(kāi)發(fā)的數(shù)顯離層指示儀能提供連續(xù)直觀的離層數(shù)據(jù)顯示，以便向井下作業(yè)人員隨時(shí)警示頂板變化情況，及早發(fā)現(xiàn)頂板失穩(wěn)的征兆，便于采取必要的加固措施。同時(shí)，在不同的施工條件下綜合考慮錨桿受力大小、巷道表面位移、巷道感觀變化等因素，以此作為判斷巷道安全可靠性和采取補(bǔ)強(qiáng)措施的依據(jù)。

4.2.3加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理

生產(chǎn)班組管理是各項(xiàng)管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，抓好班組質(zhì)量管理對(duì)保證錨桿巷道的支護(hù)安全至關(guān)重要。施工過(guò)程中要不斷提高工藝技術(shù)水平，保證支護(hù)質(zhì)量。第一，控制巷道成形。因?yàn)槌尚尾缓?，?huì)直接破壞圍巖強(qiáng)度，不利錨桿托板與巖面密貼，錨桿受力條件變差。第二，實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)。及時(shí)支護(hù)是巷道穩(wěn)定的保證，沒(méi)有及時(shí)支護(hù)，成形的幫、平穩(wěn)的頂也會(huì)被破壞。第三，保證錨桿的安裝質(zhì)量。強(qiáng)化打眼質(zhì)量和錨桿快速安裝工藝的管理，使錨桿具有一定的初錨力，同時(shí)要使鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件緊貼巖面，充分發(fā)揮其護(hù)表功能。第四，在過(guò)斷層、壓力集中區(qū)、淋水段等圍巖條件復(fù)雜區(qū)域，必須采取有效的工藝技術(shù)措施，及時(shí)縮小循環(huán)進(jìn)度。尤其應(yīng)當(dāng)注意的是當(dāng)錨索鉆孔出現(xiàn)導(dǎo)水跡象時(shí)，必須采用支撐式支護(hù)。

5.結(jié)論

我國(guó)的煤炭工業(yè)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，煤礦開(kāi)采技術(shù)、巷道系統(tǒng)布置已日漸成熟，錨桿支護(hù)技術(shù)是繼我國(guó)煤礦成功應(yīng)用綜合機(jī)械化采煤技術(shù)以來(lái)采掘技術(shù)的又一次革命。它不僅保證了采煤工作面的安全、快速、高效推進(jìn)， 煤炭產(chǎn)量和效益的大幅度增長(zhǎng)， 而且深刻地改變了礦井的開(kāi)拓部署與巷道布置方式。