探析煤礦井下巷道掘進頂板支護

雷志強

（河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦一礦，河南禹州 461670）

一般情況下，錨桿支護、可縮性支架支護等支護方式是煤礦井下巷道掘進頂板支護的常見形式，煤礦井下巷道掘進的施工工藝并不會對頂板的支護形式或者質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。但是如果在實際的煤礦巷道施工過程中，工作人員沒有詳細分析具體的巷道施工區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，或者未能規(guī)范化操作施工中的相關(guān)設(shè)備組件，則可能會出現(xiàn)頂板支護層面的問題，主要表現(xiàn)為支護結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差、應(yīng)力集中狀態(tài)比較突出。為此，在進行支護作業(yè)時，工作人員應(yīng)結(jié)合實際的情況，優(yōu)化選擇頂板支護的具體形式，并在合理、規(guī)范應(yīng)用相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，在實際的工作過程中靈活變化頂板支護的具體形式，進而可進一步適應(yīng)煤礦井下巷道掘進過程中的頂板支護要求。

1 煤礦井下巷道掘進頂板支護質(zhì)量影響因素分析

首先，煤礦井下地質(zhì)條件是影響頂板支護質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并且從以往的支護技術(shù)應(yīng)用效果來看，實際的地質(zhì)條件作用形式也有所不同[1]。頂板支護的骨架會直接與上層巖石接觸，但是如果圍巖本身的穩(wěn)定性較差（也就是在受到擠壓應(yīng)力之后會出現(xiàn)不同程度的橫向位移），則會導(dǎo)致相應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，進而不能達到預(yù)定的頂板支護強度；其次，圍巖在受到擠壓應(yīng)力之后，不僅會出現(xiàn)橫向的位移，還會出現(xiàn)縱向的變形情況。在圍巖的變形過程中，雖然可通過加裝一些輔助性的支護結(jié)構(gòu)減緩這種變形的趨勢，但是這種趨勢是不可消除的，在經(jīng)過一段時間之后，圍巖上就會掉落一些巖石碎屑，而此時圍巖本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的改變，不足以為頂板提供有效的支護基礎(chǔ)；再者，從施工工藝的角度分析，不同類型的施工工藝流程會影響頂板支護過程中各類結(jié)構(gòu)的支護順序。其中，定向爆破的工藝要求較高，往往需要選擇較深爆破孔徑。但是如果此時的煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造存在問題，類如硬度過低或者硬度過高，都會導(dǎo)致爆破面積偏離計劃面積，從而導(dǎo)致頂板支護的穩(wěn)定性下降。為此，工作人員在選擇支護方式時，一定要結(jié)合實際的施工工況[2]。

2 煤礦井下巷道掘進頂板支護方式分析

2.1 錨桿支護

錨桿支護是煤礦井下巷道掘進頂板支護中最為常見的形式，并且其支護的具體流程以及結(jié)構(gòu)也比較簡潔，實際的工程施工適應(yīng)性較好。在選用此種錨桿支護方式之后，工作人員應(yīng)優(yōu)先做好支護資源準(zhǔn)備工作，包括錨桿支護相關(guān)的錨桿組件、托板、固定劑、鋼帶以及相應(yīng)的防護網(wǎng)等。在應(yīng)用此類錨桿支護資源時，工作人員需要合理選擇具體的頂板支護位置[3]。為了降低不同地質(zhì)構(gòu)造以及不同質(zhì)量的圍巖對頂板支護效果的影響，工作人員在選擇具體的頂板支護位置時，需要對支護位置的實際物理屬性進行實驗分析，確保其不會出現(xiàn)明顯的裂紋、碎渣等[4]。在此基礎(chǔ)上，在使用錨桿緊固組件時，為了確保錨桿組件不會在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)松動，工作人員應(yīng)選擇具有預(yù)加應(yīng)力特點的螺栓螺母，進而提供反向的緊固應(yīng)力，確保緊固力在常態(tài)下不會突然消失，這是確保錨桿支護穩(wěn)定性的基本要求。另外，在布置防護網(wǎng)時防護網(wǎng)應(yīng)緊貼巷道內(nèi)表面，這一方面可在一定程度上對巷道內(nèi)表面施加擠壓應(yīng)力，另一方面可防止巷道中破碎巖石脫落，進而可提供穩(wěn)定性較好的支護應(yīng)力，實際的錨桿支護效果也會更好。

2.2 可縮性支架支護

可縮性支架支護形式與錨桿支護形式相比，其支護的靈活度較高，但是應(yīng)力承受期限相較于錨桿支護略小。在使用此類可縮性支架支護方式時，工作人員首先要對巷道中頂板支護的數(shù)量需求進行分析。在得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息之后，工作人員需要選購可縮性支護支架，由于可縮性支護支架中大部分零部件屬于標(biāo)準(zhǔn)件，因此工作人員可以一次性購買所需零部件，在使用過程中根據(jù)需求現(xiàn)場組裝即可；其次，為了確保此種可縮性支架支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，工作人員也需要對巷道內(nèi)部的巖石層結(jié)構(gòu)進行分析。一般情況下，如果圍巖本身的結(jié)構(gòu)參差感較強，則在實際的支護過程中，不同巖石層之間可能會出現(xiàn)相對位移。因此，為了降低橫向位移的影響，工作人員應(yīng)使用橫向的位移阻斷器（一種緊固性的鋼結(jié)構(gòu)組件），對巖石層的橫向應(yīng)力進行反向試壓，進而抵消掉巖石層內(nèi)部的橫向應(yīng)力，從而確保巖石層整體的穩(wěn)定性[5]。另外，需要注意的是，可縮性支架支護在伸縮連接位置的應(yīng)力集中情況比較突出，并且在一次調(diào)節(jié)成形之后，不宜再次調(diào)節(jié)，否則可能會導(dǎo)致伸縮結(jié)構(gòu)性能下降，實際的支護作用力也會出現(xiàn)明顯降低的情況。

3 煤礦井下巷道掘進頂板支護質(zhì)量控制方法分析

3.1 細化巷道支護環(huán)境調(diào)查，提升頂板支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力承載能力

在選用巷道掘進頂板支護形式時，工作人員需要對巷道支護的實際環(huán)境條件進行分析。管理部門應(yīng)組建專門化的環(huán)境調(diào)查小組，小組成員不僅需要對巷道支護環(huán)境周圍的巖石層結(jié)構(gòu)進行分析，包括巖石層的硬度以及結(jié)構(gòu)形式等，還需要對實際的支護空間進行模擬預(yù)測，進而為后續(xù)的頂板支護施工提供有利支持。在得到了具體的分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，工作人員需要結(jié)合此類信息優(yōu)化選擇頂板支護的實際尺寸，包括錨桿支護中錨桿的長度和直徑以及托板的厚度參數(shù)等。需要注意的是，此類支護組件的固定方式尤為關(guān)鍵，并且會對頂板支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力承載能力直接產(chǎn)生影響。常規(guī)類型的固定方式為螺栓螺母固定方式，但是在應(yīng)用此種固定方式時，工作人員應(yīng)盡量選擇帶有自鎖功能的螺栓螺母，這樣可降低垂直應(yīng)力對錨桿固定效果的影響[6]。另外，維持巷道支護表面的平整與光滑度也非常關(guān)鍵，這與支護結(jié)構(gòu)的實際形式相關(guān)，也與初期的爆破施工工藝有關(guān)。

3.2 優(yōu)化巷道頂板支護中的應(yīng)力調(diào)節(jié)流程，提升支護協(xié)調(diào)能力

頂板支護中的應(yīng)力調(diào)節(jié)流程并不是簡單的應(yīng)力調(diào)節(jié)過程，而是需要在實際的支護作業(yè)中逐級調(diào)節(jié)。在這個過程中，工作人員需要及時關(guān)注頂板支護過程中頂板上方巖石層的形態(tài)變化。一般情況下，在支護中上方巖石層均會出現(xiàn)一些的殘渣掉落情況，但是這并不意味著巖石層的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了改變。此時，工作人員需要觀察巖石碎渣的掉落情況，微調(diào)巷道頂板支護的具體問題和實際應(yīng)力大小。但需要注意的是，這個過程會伴隨著支護結(jié)構(gòu)的變形以及巖石層的變形，兩者的變形效果并不能相互抵消[7]。為了平衡這種支護變形效果，工作人員除了可以增加變形支護受力面積之外，還可以適當(dāng)增加支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)，包括頂板的面積、緊固螺栓的數(shù)量等，進而可在維持支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，確保頂板支護可表現(xiàn)出較好的應(yīng)力釋放效果。

3.3 使用先進的頂板支護設(shè)備，改善掘進施工工藝

現(xiàn)階段，一些先進的頂板支護設(shè)備被應(yīng)用到了煤礦井下巷道掘進作業(yè)中，此類設(shè)備的應(yīng)用形式和應(yīng)用效果存在適應(yīng)性的評價標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用調(diào)整措施也比較規(guī)范。在使用此類頂板支護設(shè)備時，工作人員可應(yīng)用其對頂板支護的整體強度系數(shù)進行分析，進而可根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的頂板支護位置。另外，此類設(shè)備往往被應(yīng)用到施工流程較為復(fù)雜的巷道掘進施工過程中，相應(yīng)的施工工藝可能也會比較復(fù)雜。為了確保頂板支護的實際效果，在應(yīng)用此類工具設(shè)備時，工作人員應(yīng)選用一些自動化類型的輔助設(shè)備，包括自動加油設(shè)備等，進而可為此類巷道綜合機械設(shè)備的使用提供有效支持[8]。以此為基礎(chǔ)，工作人員可使用信息化的控制技術(shù)，對自動化機械設(shè)備的應(yīng)用形式進行控制，為頂板支護提供有效的數(shù)據(jù)參考，而實際上，這種參考數(shù)據(jù)的真實性和質(zhì)量往往較好。

4 結(jié)語

總之，在選用頂板支護的形式時，工作人員應(yīng)結(jié)合巷道施工的實際狀態(tài)，包括巷道施工中圍巖的地質(zhì)情況以及不同位置的頂板支護要求等。為了提高支護作業(yè)的整體效率，工作人員也可選擇一些先進的機械化設(shè)備，但是在使用此類機械化設(shè)備時，需要注意分析設(shè)備應(yīng)用預(yù)算，不能脫離實際的頂板支護施工成本，否則可能導(dǎo)致煤礦井下巷道施工出現(xiàn)成本預(yù)算問題，進而影響施工作業(yè)的整體進度。