煤礦巷道掘進頂板支護研究

＊閆志恒

（晉能控股集團圣厚源煤業(yè)有限公司 山西 037000）

引言

煤礦巷道掘進頂板支護架設質量可直接決定礦井安全性，為良好應對不同地質結構、水文情況，相關工作人員需掌握各類煤礦巷道掘進頂板支護手段，根據(jù)煤礦實際情況制定頂板支護方案，以此保障巷道掘進頂板支護質量，避免頂板漏水、頂板冒落等問題的出現(xiàn)。

1.煤礦巷道掘進實例概況

(1)工程概況

圣厚源煤業(yè)礦區(qū)生產(chǎn)能力為90wt/a，礦內共有4-1、4-2、8、9-1、9-2、11號煤層，經(jīng)兼并重組后，原4號煤層為現(xiàn)在的4-1、4-2號煤層，原9號煤層，現(xiàn)為9-1、9-2號煤層。煤礦開拓方式為斜井開拓，主要服務于4、8、9、11號煤層，煤層開采由上至下進行，同時采煤方法為綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。該礦區(qū)頂板巖性以泥巖為主，其中4-2號煤層頂板巖性為泥巖、粉砂巖，11號煤層頂板巖性為泥灰?guī)r，其余均為泥巖。

(2)重難點分析

煤礦巷道存在積水區(qū)，根據(jù)煤礦整體結構進行預估后發(fā)現(xiàn)，4-1、4-2、8、9-1、9-2、11號煤層頂板存在頂板導水裂隙隱患，同時對礦井未來5年涌水量展開預估，最終判斷該煤礦存在水隱患，因此在巷道掘進作業(yè)期間，需結合煤礦地質結構及巷道情況加強頂板支護架設，提高頂板結構穩(wěn)定性。圣厚源煤業(yè)礦區(qū)是在原有小煤礦基礎上改擴建而成，存在老巷，在巷道掘進及煤礦開采時，易對煤礦安全生產(chǎn)作業(yè)造成威脅，因此需探明老巷密閉情況，做好頂板支護工作。走向、傾向、傾角等地層產(chǎn)狀要素為布置巷道的依據(jù)，其可對巷道掘進產(chǎn)生一定影響，在實際生產(chǎn)作業(yè)中，需特別注意煤礦內傾角變化大的地層，在煤層開采及巷道掘進時，需科學嚴謹?shù)亻_展頂板支護架設工作。

2.煤礦巷道掘進中的頂板支護形式

(1)錨桿錨索支護

礦用錨桿支護以及錨索支護本質上屬于統(tǒng)一整體，兩者聯(lián)合應用條件下可以充分發(fā)揮出有效的支護作用。實施該種支護處理的主要優(yōu)勢便是能夠承載更大的壓力。具體表現(xiàn)是連接錨桿更加深入的承載框架和支護系統(tǒng)，順利構成統(tǒng)一整體，提升支護結構完整性，同時還可以進一步提升基礎巖體綜合承載水平。錨索支護在實際應用中能夠進行連續(xù)用力，全面優(yōu)化連續(xù)面綜合抗剪強度，提升圍巖支護效果。

錨索支護主要利用鋼帶、金屬連接網(wǎng)以及錨索等部件實施有效拼接，作為一種常用支撐方法，此種支護方法需要和錨桿技術搭配應用，廣泛應用于煤礦井下挖掘施工，也是煤礦井下巷道挖掘支護工程中應用次數(shù)較多的技術，經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，相關支護技術也越加成熟。結束施工中，通過混凝土實施徹底密封，外觀造型較好。所以在對相關支護技術進行推廣應用中，需要重點做好下列工作，第一是合理設計地質研究報告，對井下巷道板性質進行重點分析，結合驗收破碎程度以及巖石穩(wěn)定性對巷道板性質進行合理分析，結合巖石破碎程度和穩(wěn)定性對巷道板進行系統(tǒng)分析，聯(lián)系巖石破碎程度以及巖體穩(wěn)定性對相關參數(shù)進行準確計算。如果圍巖較為堅固，則可以按照兩排錨桿為標準，打入兩個錨索。假如巷道圍巖存在穩(wěn)定性不足的問題，以一排錨桿為間隔，按照2-1-2的順序設置錨索，提升支護對頂板抓力。第二是針對工程現(xiàn)場實施全面監(jiān)督和指導。第三是抓好工程質量，促進實現(xiàn)標準化施工建設。第四是針對煤礦壓力進行全面監(jiān)測，工作面挖掘采集過程中會影響整個巷道的支護水平，為此需要進一步聯(lián)系一次二次采動狀況，針對圍巖采取有效的加固支護處理措施，比如針對鄰近掘進面實施加固中，應該減少擾動過大所形成的施工影響。第五是針對特殊區(qū)域需要選擇設置適合的支護方法，主要優(yōu)勢是能夠承擔更大壓力。發(fā)揮出巷道應有的支護效果。在正式施工前需要準確把握巷道地質構造，對巖石承重水平和巖石性質進行科學分析。如此才能充分發(fā)揮出支護架構的功能作用。借助深層次支護體系形成統(tǒng)一整體，優(yōu)化整體支撐效果。

錨桿錨索支護為煤礦巷道掘進期間廣為應用的形式，為圣厚源煤業(yè)礦區(qū)巷道頂板支護主要形式。錨桿支護由鋼帶、錨桿桿體、支護網(wǎng)、托板等構件組成，可良好支撐礦井巷道，且錨桿支護具有較強抗剪性能及抗拉性能。在上述主要構件中，托板所發(fā)揮出的效果最為關鍵，當巷道壓力傳遞至頂板巖層時，錨桿支護托板可避免頂板巖層脫離問題的產(chǎn)生，繼而防止結構面滑動、巖層節(jié)理裂縫舒張等問題。除此之外，還可在礦井巷道頂板表面設置支護網(wǎng)，可避免因頂板巖層碎石散落造成的安全事故，極大提高巷道掘進及煤礦開采安全性。錨桿錨索支護可為頂板巖層施加支撐力，提升頂板巖層整體強度，可良好應對巷道掘進期間產(chǎn)生的壓力，防止裂縫問題的產(chǎn)生，繼而起到防止巷道變形的作用。圖1為煤礦巷道頂板錨桿支護示意圖，根據(jù)圖1不難看出，錨桿支護的支撐原理為組合拱原理，當錨桿插入拱形巷道時，此時所接受到的壓力應力呈圓錐形分布，可通過合理設置錨桿支護距離，使錨桿支護間產(chǎn)生連鎖效應，使巷道頂板巖層形成連續(xù)的結合弧，以此良好應對巷道壓力[1]。錨桿支護可使頂板巖層與錨桿產(chǎn)生共同作用，改變煤礦巷道頂板巖層機械狀態(tài)，以此提升頂板穩(wěn)定性。

圖1 煤礦巷道頂板錨桿支護示意圖

(2)礦用支護型鋼

礦用支護型鋼主要分為工字鋼、U型鋼兩種方式，其中工字鋼具有負荷能力強、韌性高的特征，而U型鋼支護多應用在橢圓形、拱形、圓形的高穩(wěn)定性巷道內。兩種礦用支護型鋼均具有較強抗剪性、抗壓性、抗拉性，因此在地勢相對復雜、環(huán)境相對惡劣的煤礦巷道中應用較為廣泛。礦用支護型鋼對巷道受力狀況、滑移程度、接觸面積具有較高要求，這就導致礦用支護型鋼在巷道掘進頂板作業(yè)中存在一定使用限制。

(3)可伸縮性支架

可伸縮性支架為金屬支架，而金屬支架本身承載負荷力由極限承載能力、實際承載能力構成，在金屬支架收縮期間主要表現(xiàn)為實際承載能力，此時該實際承載能力大小取決于器件連接情況及支架整體結構；極限承載能力可對可伸縮性支架可塑性產(chǎn)生影響，因此在實際使用期間，需明確可伸縮性支架極限承載能力與實際承載能力間的差異，判斷可伸縮性支架最佳使用狀態(tài)，以此確?？缮炜s性支架可在巷道內起到支撐頂板的效果[2]。

(4)預留煤柱支護

預留煤柱支護為傳統(tǒng)形式之一，主要在煤礦回風平巷、運輸平巷間預留煤柱，使回風平巷規(guī)避最大支撐壓力，該方式具有排水便捷、操作簡單、通風效果優(yōu)異的優(yōu)勢，因此在當前煤礦巷道頂板支護作業(yè)中仍應用廣泛。預留煤柱支護存在一定缺陷，如成本高，若煤柱損失過多，將使巷道掘進及維護工作難度提升，同時，若煤柱支撐壓力傳送至底部，可能對巷道整體穩(wěn)定性產(chǎn)生干擾，不利于巷道掘進及煤礦開采作業(yè)的推進。在圣厚源煤業(yè)礦區(qū)中，部分區(qū)域選用頂板預留煤柱支護形式，對含水層加以控制，起到防水效果。

3.強化煤礦巷道掘進頂板支護穩(wěn)定性的方法

(1)落實安全管理

想要進一步提升煤礦巷道掘進頂板支護的安全性和穩(wěn)定性，保障頂板的承載水平和支護能力，需要在巷道掘進中進行合理支護，支護過程需要以全面、詳細的支護方案作為基礎參考，合理制定支護步驟和支護措施，同時提前準備好各種支護材料和支護工具，保障支護動作的順利實施，保障支護結構穩(wěn)定性和可靠性。煤礦井下挖掘巷道過程中，因為會受到各種外部因素影響，導致支護性能下降，最終造成塌方現(xiàn)象，為此需要形成嚴格、細致的安全管理措施，進一步強化技術安全管理和監(jiān)督工作。創(chuàng)建完善的安全管理制度，為進一步改善支護效率，提升支護安全性奠定良好制度基礎。為此需要形成完善的控制機制和質量檢查機制。井下技術人員在施工建設中應該嚴格遵守相關制度規(guī)定，保證能夠第一時間發(fā)現(xiàn)各種問題并進行有效處理，優(yōu)化井下施工環(huán)境。聯(lián)系現(xiàn)場狀況，合理選擇支護方法和支護形式，優(yōu)化支護效果。首先，強化煤礦巷道掘進頂板支護管理工作，將頂板管理隱患編制為書面報告，引起相關領導者的注意，明確巷道掘進頂板支護相關崗位職責，將責任落實到個人，合理配置專業(yè)技術人員，健全巷道掘進頂板支護相關規(guī)章制度。其次，增強礦井地質勘探工作，注重監(jiān)測巷道壓力，在巷道掘進與頂板支護管理期間，明確礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、煤礦物力學參數(shù)、頂?shù)装鍘r性、煤層賦存狀況、地質構造等信息數(shù)據(jù)，做好地質預測工作，以此加強對巷道頂板的管理。最后，根據(jù)煤礦實際情況選擇頂板支護形式，在本次圣厚源煤業(yè)礦區(qū)中，錨桿支護形式應用最為廣泛，在錨桿支護應用期間，需加強對頂板錨桿支護的監(jiān)督監(jiān)測，檢查錨桿支護噴層厚度、錨索材質、錨桿材質、拉力、預緊力等數(shù)據(jù)參數(shù)是否符合作業(yè)規(guī)程，同時，加強對巷道頂板移近量的監(jiān)測，避免頂板支護在巷道掘進期間出現(xiàn)質量問題，以此避免巷道冒落、漏水等問題的產(chǎn)生。

(2)重視安全宣傳

為確保巷道掘進頂板支護作業(yè)落到實處，需重視煤礦安全宣傳工作，提升作業(yè)人員對安全管理工作的關注。在安全意識宣傳期間，需將煤礦巷道掘進頂板支護技術操作及注意事項納入宣傳內容中，定期組織安全知識培訓，使煤礦井下作業(yè)人員熟悉掌握煤礦巷道掘進危險應對情況及頂板支護穩(wěn)固技巧，培養(yǎng)安全意識，提升井下作業(yè)人員安全技能。

(3)規(guī)范巷道布局

在先進技術驅動下，我國煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但在回風巷、運輸巷等煤礦巷道安排設置上仍有待提升。為確保巷道掘進頂板支護結構穩(wěn)定性，需結合煤礦實際情況合理設置巷道布局，將巷道壓力、含水層、瓦斯等因素考慮在內，科學設置巷道位置，避免由煤礦采空區(qū)壓力聚集造成安全事故。回風巷、運輸巷通常設置于煤礦采空區(qū)兩側，為防止其對煤礦作業(yè)產(chǎn)生干擾，需確保回風巷、運輸巷與煤礦采空區(qū)存在5m距離，且需與采空區(qū)兩側存在10～15m距離，且需設置一定高度差，即回風巷、運輸巷不可處于同一水平線。煤礦巷道的設置需避開斷層，需確保巷道與斷層間存在8～15mm距離，在掘進作業(yè)中，需檢測煤礦巷道30m范圍內是否存在斷層，避免因巷道設置不科學引發(fā)安全事故，并對巷道掘進頂板支護施工產(chǎn)生阻礙。

(4)定期更新設備

煤礦巷道掘進施工中，需要聯(lián)系工程中的各種影響因素進行綜合考慮，積極引入各種新型設備和技術工藝，促進施工技術全面創(chuàng)新，提升支護施工的自動化處理水平，借助先進的機械設備，優(yōu)化整體施工效果。為保障掘進巷道頂板支護穩(wěn)定性，在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中切實發(fā)揮出其支撐效果，需定時更新相關設備，依據(jù)煤礦實際情況選擇適宜型號規(guī)格支護設備。現(xiàn)階段已出現(xiàn)智能監(jiān)測掘進支護設備，可在煤礦巷道掘進期間隨時監(jiān)測頂板巖層情況，并通過設備電子顯示屏實時觀察錨桿、錨索預緊力，若數(shù)據(jù)參數(shù)出現(xiàn)異常，可及時發(fā)現(xiàn)并調節(jié)，控制頂板冒落、漏水等安全隱患。該智能設備的應用使巷道頂板支護穩(wěn)定性進一步增強，并降低了勞動強度，效果顯著，在煤礦作業(yè)期間，需結合實際預算情況合理引進。

(5)做好工藝改進

圣厚源煤業(yè)礦區(qū)中錨桿支護方式應用最為廣泛，在實施工期間選用大功率、高效錨桿鉆機，降低巷道掘進期間的人員勞動強度，提升作業(yè)效率。支護材料需以巷道壓力為依據(jù)，進行合理選擇。在圣厚源煤業(yè)礦區(qū)中，存在巷道局部壓力過大的情況，對于該區(qū)域，以鋼筋網(wǎng)為材料，對頂板巖層進行加固，而對于巷道壓力一般的頂板區(qū)域，采用高分子鐵絲網(wǎng)進行頂板加固即可；錨桿選取時，同樣需考慮巷道應力，圣厚源煤業(yè)礦區(qū)巷道局部壓力過大區(qū)域內，選用高強度錨桿，而普通應力區(qū)應用快硬水泥錨桿即可。除優(yōu)化材料選擇外，還可以1.5m為間隔設置兩排支護排距，其中一排位于兩個鋼帶間，實現(xiàn)交替支護，另一排與鋼帶兩端存在1.5m垂直距離，運用錨索在鋼帶孔處加以固定，該方式提升了支護結構穩(wěn)定性，經(jīng)驗證后效果優(yōu)異。

(6)加強現(xiàn)場監(jiān)測

加強對煤礦巷道掘進過程的監(jiān)督，判斷頂板支護狀態(tài)。在實際現(xiàn)場監(jiān)測期間，需明確巷道圍巖位移量，如巷道兩側相對位移、頂板相對位移、頂板下沉量，此外，還需監(jiān)測頂板錨桿支護的錨固力、巷道頂板離層狀況、錨桿受力狀態(tài)等，以此判斷頂板支護是否可良好支撐巷道頂板。頂板穩(wěn)定性在一定程度上決定了煤礦開采及巷道掘進的安全性，在作業(yè)期間，需對頂板巖層穩(wěn)定性展開實時監(jiān)測，并將監(jiān)測重點放在礦井環(huán)境惡劣、局部穩(wěn)定不佳的區(qū)域。監(jiān)測期間需對信息參數(shù)詳細記錄，并結合頂板支護情況給出評價反饋，重點在巷道交叉處、巷道口處設置觀測斷面，觀測點安裝在距離地面2m以內，確保及時監(jiān)測巷道掘進時的力學形態(tài)變化及巷道頂板巖層變化，為確保監(jiān)測效果，需合理設置測量頻率，例如：50m內的巷道掘進工作面每日測量一次；50m外的巷道掘進工作面兩日測量一次，此外，還可將巷道掘進位移速度作為測量依據(jù)，合理設置測量頻率，確保可及時掌握巷道掘進情況，判斷頂板支護是否可起到良好支撐效果，若于現(xiàn)場監(jiān)測期間發(fā)現(xiàn)安全隱患，需及時對頂板及支護結構進行加固，遏制安全事故的發(fā)生。

在針對巷道掘進支護施工實施全面監(jiān)測過程中，需要嚴格按照標準原則實施監(jiān)測工作，因為圍巖部位的穩(wěn)定性會對煤礦的開采、施工安全性產(chǎn)生直接影響，為此需要針對巖石周圍穩(wěn)定性狀態(tài)實施合理監(jiān)測，同時把管理監(jiān)測重點放到井下施工中存在安全隱患的部位。針對井下分叉以及洞口等特殊工程部位需要科學設置觀測斷面。在安裝觀測點過程中盡量拉近和地面之間的距離，盡量把距離控制在離地面兩米左右最佳。主要目的是在巷道挖掘工程開始后能夠對巷道圍巖具體形變波動以及巷道前期力學變化進行實時監(jiān)控，相關數(shù)據(jù)監(jiān)測對于確定圍巖穩(wěn)定性具有重要作用。

4.結束語

綜上所述，在圣厚源煤業(yè)礦區(qū)巷道掘進期間，意識到了頂板支護對煤礦開采掘進作業(yè)的重要性，在該案例中，主要應用錨桿支護方式，對巷道掘進頂板進行固定，為進一步強化煤礦巷道掘進頂板支護質量，總結該次實例經(jīng)驗。在巷道掘進頂板支護作業(yè)中，需落實安全管理，重視安全宣傳，規(guī)范巷道布局，定期更新設備，做好工藝改進，加強現(xiàn)場監(jiān)測，以此全方位提升頂板支護穩(wěn)定性。