煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)技術(shù)探析

＊楊 超

（山西省長(zhǎng)治市潞安集團(tuán)古城煤礦 山西 046100）

前言

在煤礦井下巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，生產(chǎn)應(yīng)力會(huì)逐漸發(fā)生變化，如若不采取相應(yīng)的解決措施，井下圍巖就有可能出現(xiàn)變形、位移等問(wèn)題，從而對(duì)井下工作效率、安全性、穩(wěn)定性造成一定影響。為確保煤礦井下巷道掘進(jìn)工作的效率以及質(zhì)量，不僅要選取合適的掘進(jìn)技術(shù)、設(shè)備，同時(shí)也要采取礦用型鋼支護(hù)、預(yù)留煤柱支護(hù)、支架支護(hù)等措施，但無(wú)論何種支護(hù)方式，都要確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以此來(lái)應(yīng)對(duì)井下圍巖過(guò)度收斂、下沉等問(wèn)題。

1.煤礦井下巷道掘進(jìn)支護(hù)方式

(1)礦用型鋼支護(hù)

目前，我國(guó)礦用型鋼支護(hù)形式多用于圓形巷道、半圓形巷道、橢圓形巷道，采用的型鋼主要為工字型鋼以及U型鋼。礦用型鋼的規(guī)格主要為18UY理論重量為18.96kg/m；25UY理論重量為24.76kg/m；25U理論重量為24.95kg/m；29U理論重量為29.00kg/m；26U理論重量為35.87kg/m；40U理論重量為40.05kg/m。工型鋼的規(guī)格主要為：9#理論重量為17.69kg/m；11#理論重量為26.05kg/m；12#理論重量為31.83kg/m。為確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，型鋼的選擇不僅要符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，同時(shí)也要參考GBT 4697-2008《礦山巷道支護(hù)用熱軋U型鋼》YB/T 5074-2000《礦用工字鋼》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

型鋼具有良好的抗壓能力、抗剪切能力，在煤礦井下巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)需要應(yīng)對(duì)圍巖縱向、橫向兩個(gè)方向的內(nèi)斂應(yīng)力以及載荷，所以型鋼橫斷面的幾何參數(shù)要符合相關(guān)載荷要求，同時(shí)也要考慮到支架的可伸縮性以及接觸面的滑移平穩(wěn)性。

(2)預(yù)留煤柱支護(hù)

預(yù)留煤柱支護(hù)是最為傳統(tǒng)的支護(hù)形式，煤礦井下巷道在掘進(jìn)的過(guò)程中，巷道可分為下區(qū)段、上區(qū)段兩個(gè)部分，回風(fēng)平巷指下區(qū)段、運(yùn)輸平巷則是指上區(qū)段，通過(guò)在上區(qū)段、下區(qū)段之間預(yù)留一定寬度的煤柱，來(lái)形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而確保巷道決定的穩(wěn)定性、安全性。預(yù)留煤柱支護(hù)操作是一種較為簡(jiǎn)單的支護(hù)技術(shù)，該支護(hù)技術(shù)能夠提高巷道的通風(fēng)性能以及排水性能，不過(guò)該支護(hù)方式的安全性、穩(wěn)定性較差，且技術(shù)成本較高，在掘進(jìn)的過(guò)程中，如果支撐煤柱損壞，還會(huì)對(duì)巷道的維護(hù)工作造成一定影響，甚至有可能影響相鄰巷道的安全性、穩(wěn)定性。

目前，110-N00工法在煤礦中逐漸得到了廣泛應(yīng)用，并且在逐漸取代傳統(tǒng)支護(hù)方式。110-N00工法利用恒阻錨索對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，以保證隨后預(yù)裂頂板、切頂時(shí)不影響自動(dòng)形成的巷道質(zhì)量；利用切縫鉆機(jī)施工爆破鉆孔，聚能爆破裝置超前預(yù)裂頂板，在頂板形成裂縫；用礦山壓力在采場(chǎng)周期來(lái)壓時(shí)沿頂板裂縫自動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿空切頂，將頂板切落下來(lái)，切落的頂板形成巷幫。該技術(shù)有著明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，讓無(wú)煤柱開(kāi)采有了實(shí)現(xiàn)的可能，極大程度提升了資源回收率。

(3)可伸縮支架支護(hù)

可伸縮支架支護(hù)是煤礦井下頂板支護(hù)中的常見(jiàn)支護(hù)形式，通常來(lái)說(shuō)，如果巷道的斷面面積不大于8m2，巷道的類(lèi)型為Ⅳ類(lèi)或者Ⅲ類(lèi)，那么就可采用該支護(hù)方式。該支護(hù)方式的抗載荷能力以及承壓能力比較強(qiáng)，一般來(lái)說(shuō)，在煤礦巷道實(shí)際載荷和極限載荷差距較小的情況下，利用可伸縮支架進(jìn)行支護(hù)，就能夠取得最優(yōu)的支護(hù)效果。

2.煤礦井下巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)現(xiàn)存問(wèn)題以及對(duì)策

(1)頂板支護(hù)問(wèn)題

井下巷道圍巖的實(shí)際情況，直接決定了煤礦巷道的支護(hù)難度，在掘進(jìn)過(guò)程中，若是井下巷道圍巖出現(xiàn)過(guò)大的位移或者變形，尤其是在巖體較為松軟的巷道，就會(huì)導(dǎo)致巷道的壓力增大，從而導(dǎo)致巷道變形。同時(shí)，如果頂板沒(méi)有采取合理的方式進(jìn)行固定，在掘進(jìn)的過(guò)程中，若是遇水，圍巖巖體就會(huì)逐漸變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)在這種情況下就到遭到嚴(yán)重的破壞。

另外，井下巷道在掘進(jìn)的過(guò)程中，頂板受地質(zhì)因素的影響，就會(huì)出現(xiàn)片幫、掉頂?shù)葐?wèn)題，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)零塊掉落的情況，這就在一定程度上增加了頂板支護(hù)的難度。針對(duì)這種情況，就需要落實(shí)地質(zhì)勘測(cè)工作以及圍巖壓力監(jiān)測(cè)工作，采用多種支護(hù)方式，來(lái)保證圍巖的穩(wěn)定性，避免片幫、吊頂造成人員傷亡。

(2)地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題

煤礦掘進(jìn)區(qū)域的地質(zhì)層理、煤巖硬度、褶曲構(gòu)造等因素，都會(huì)直接對(duì)巷道頂板支護(hù)造成影響，如果基礎(chǔ)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性就會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致煤礦巷道掘進(jìn)工作效率降低。比如，遭遇褶曲斷層地質(zhì)構(gòu)造，掘進(jìn)過(guò)程中煤層厚度變化較大，各個(gè)階段的巷道壓力不同，所以在掘進(jìn)的過(guò)程中就會(huì)導(dǎo)致煤巖層喪失穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致頂板碎裂甚至是掉頂。對(duì)此，就要加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及圍巖讓壓以及釋壓的協(xié)調(diào)作用，讓圍巖在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)變形，以此來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，提高支護(hù)效果，避免安全事故的發(fā)生。

(3)施工工藝問(wèn)題

目前，我國(guó)煤礦井下巷道掘進(jìn)工作主要利用鉆爆法進(jìn)行施工，并且采用錨噴支護(hù)為主要支護(hù)方式，錨噴支護(hù)極大程度提高了井下巷道掘進(jìn)效率，但是在實(shí)際施工的過(guò)程中，仍舊存在著一定的技術(shù)問(wèn)題，比如裝藥量不合理、打眼位置不合理等等，這就在一定程度上降低了支護(hù)質(zhì)量。對(duì)此，就要加強(qiáng)在工藝、設(shè)備方面的投入力度，加快錨索、錨網(wǎng)等等可伸縮式的支架進(jìn)行支護(hù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)裝藥、打眼自動(dòng)化，避免人為因素降低該支護(hù)方式的穩(wěn)定性。

3.案例分析

某煤礦井下巷道埋深大、地壓大，掘進(jìn)標(biāo)高為-730cm--820cm，巷道需要穿過(guò)4層煤線，巷道周邊巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，極其容易出現(xiàn)片幫、碎片掉落等等問(wèn)題。巷道掘進(jìn)的高度為4250mm、寬度為5500mm、推進(jìn)斷面面積約為20m2。

(1)支護(hù)技術(shù)選擇

錨索組合梁支護(hù)，主要采用熱壓普通型鋼、11#工字鋼、T3鋼帶構(gòu)成支護(hù)結(jié)構(gòu)。組合梁支護(hù)采用Φ6mm鋼筋焊接為背板，背板孔徑為100mm×100mm，利用W5、T3型鋼鋼帶配合錨桿支護(hù)。在半圓形巷道部分，鋼帶沿巷道四周逐漸鋪設(shè)，直至墻體。鋪設(shè)完成后，采用標(biāo)號(hào)C30砂漿進(jìn)行噴射。利用箱型梁以及錨索構(gòu)成“一梁三索結(jié)構(gòu)”，采用縱向布置的方法，預(yù)緊力為120kN。

在實(shí)際應(yīng)用中，在載荷較為集中的區(qū)域，支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象（扭曲變形、撕裂），而T3鋼帶在載荷僅為10kN的區(qū)域就出現(xiàn)了撕裂的情況。為解決該問(wèn)題，特采用箱型梁實(shí)現(xiàn)輔助支護(hù)，箱型梁選用7號(hào)π型鋼，利用電弧煉鋼爐制作而成，具有較好的耐磨性以及強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，在箱型梁跨距為1m時(shí)，可達(dá)平均載荷能力為150kN，其載荷能力遠(yuǎn)高于目前應(yīng)用的工字鋼以及鋼帶，有效提升了錨索組合梁支護(hù)效果。

(2)支護(hù)對(duì)策

①表面壓力收集技術(shù)

在煤礦井下巷道掘進(jìn)中，不可避免存在一些無(wú)支護(hù)的空間，而本工程圍巖條件差、地壓大、埋深大，這些無(wú)支護(hù)空間，就成為了巷道壓力卸載的突破口，支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用就不能充分發(fā)揮出來(lái)，甚至部分地段的巷道會(huì)出現(xiàn)支護(hù)失效的情況。對(duì)此，不僅需要采用合理的支護(hù)材料，同時(shí)還要結(jié)合表面壓力收集技術(shù)來(lái)有針對(duì)性的加大巷道圍巖表面封閉面積，結(jié)合錨梁索支護(hù)來(lái)保證井下巷道掘進(jìn)的安全性、穩(wěn)定性。

②采用錨索組合梁

本案例中巷道的復(fù)雜程度較高，所以需要采用錨索組合梁，保證圍巖壓力作用在錨索組合梁之上，同時(shí)要對(duì)圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算，本案例采用UDEC3.1離散元計(jì)算軟件對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布以及塑性區(qū)域分布情況進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果，采用增加錨索支護(hù)外錨機(jī)構(gòu)剛度、強(qiáng)度的方式，來(lái)阻止圍巖壓力的卸載，從而避免巷道圍巖變形。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，巷道頂板支護(hù)是煤礦井下巷道掘進(jìn)中的重要環(huán)節(jié)，只有確保頂板支護(hù)的穩(wěn)定性、安全性，才能夠保證巷道掘進(jìn)施工作業(yè)正常進(jìn)行。因此，要對(duì)巷道頂板支護(hù)技術(shù)有足夠認(rèn)識(shí)，在施工之中要結(jié)合煤礦巷道周?chē)鷰r體的實(shí)際情況，合理策劃支護(hù)策略。