煤矿井下巷道掘进顶板支护研究

煤矿井下巷道掘进顶板支护研究

于凯

新汶矿业集团有限责任公司翟镇煤矿

摘要：煤矿巷道顶板事故是煤矿事故中非常典型的一种事故，其发生频率在众多的煤矿事故中，占有比例超过三分之一以上。煤矿巷道顶板支护的可靠性以及速度、成本直接决定着煤炭企业的安全生产以及经济效益。深入研究煤矿井下巷道掘进顶板支护施工与技术意义重大。

关键词：煤矿；巷道掘进；顶板支护

引言

在煤矿的井下掘进巷道的过程中，对顶板要进行有效的管理，只有这样，才能确保安全生产工作的顺利进行。因为，在矿井的巷道开掘之后，生产的应力会重新进行的分布，此时，要是不及时的进行支护，巷道的围岩就极易发生位移、变形甚至破坏。对煤矿企业来说，巷道掘进工作是一项复杂的系统工程，在这一过程中，不但要对掘进速度和矿区地质构造以及掘进设备和施工工艺的选择，以及施工组织管理和员工整体素质提升进行重点关注，还应通过超前的地质探测技术和不断的掘进设备革新，提高巷道的掘进速度，以此保证巷道的快速掘进。

一．掘进巷道的支护形式

1.矿用支护型钢煤矿的矿用支护型钢通常包括U形钢和工字钢两种类型，这种矿用支护型钢一般用在圆形、半圆拱形与椭圆形的巷道断面等方面。通常矿用支护型钢的韧性十分好，而且矿用支护型钢还具有十分高的抗拉、抗压与抗剪强度的功能。因为使用环境十分恶劣，而且使用条件非常复杂，所以，矿用支护型钢的性能要求十分高。而巷道的支架需要承担横向载荷与纵向推动力，因此，巷道支架两个方向上均需要具备足够的承载负荷能力，而矿用支护型钢断面的集合参数受抗弯截面模量的影响，抗弯截面模量需要和巷道支架的承载负荷能力的相应数值相接近。除此之外，矿用支护型钢的集合形状取决于支架的可缩性能。因此，矿用支护型钢的集合形状在锁紧与滑移之时，需要满足矿用支护型钢接触面的面积要大、滑移需平稳以及受力状况俱佳的要求。

2.可缩性支架通常金属支架的承载负荷能力是指实际承载能力与极限承载能力两个方面。煤矿的可缩性支架在收缩过程中反映出来的承载能力指的就是实际承载能力，而实际承载能力受到连接件与支架的工作状况的影响。煤矿的可缩性支架在刚性过程中反映出来的最大承载能力指的就是极限承载能力，而极限承载能力是否达标取决于是否会出现塑性变形。通常情况下，当极限承载能力高于实际承载能力，此时，可缩性支架最良好的状态就是实际承载能力和极限承载能力相差不大。

3.预留煤柱支护所谓预留煤柱是指一种传统的巷道支护形式。因为巷道的上区段是运输平巷，下区段是回风平巷，因此在上区段和下区段之间预先留出一定宽度的煤柱，让回风平巷躲开支撑压力的峰值区域。通常预留煤柱支护技术十分简便，同时还有利于通风与排水。然而预留煤柱支护也存在一定的不足，由于预留煤柱支护的支护费十分高，当煤柱的损失较大时，这时巷道的维护十分困难。倘若煤柱的支撑压力输送到底部时，就会对临近巷道的稳定及其临近煤层的开采产生一定的不利影响，同时也会成为冲击地压的安全潜在隐患。

二、煤矿井下巷道掘进顶板支护问题及其影响因素

1.煤矿井下巷道掘进顶板支护的问题分析（1）围岩的稳定性较差，致使煤矿巷道支护难度大。在煤矿井下巷道掘进施工中，若围岩发生位移或产生过大变形，造成巷道特别是岩体松软地段巷道的严重破坏，就会使支护在经过多次返修之后仍然不达标。因此，巷道变形的问题无法通过支护进行彻底地解决。（2）围岩产生变形甚至被破坏，顶板缺乏合理的固定。在煤矿井下巷道掘进过程中，围岩岩体遇水会产生巨大的膨胀力，加之受到过大的挤压力，从而使围岩发生变形，使巷道的支护结构遭到严重的破坏。同时，在巷道的掘进施工中，顶板受地质因素影响，通常会有零块掉落现象出现；加上层理与节理的发育，常常会使片帮煤增加，顶板裂缝增多并张开，甚至出现围岩离层，极易造成冒顶事故，加大了顶板支护的难度。

2.影响煤矿井下巷道掘进顶板支护的因素煤矿井下巷道掘进施工中，影响顶板支护的因素多种多样，如煤矿的地质构造以及施工工艺等，具体主要有以下几方面。（1）煤矿的地质构造因素。在煤矿井下巷道的掘进施工中，煤矿的层理以及节理发育状况、褶曲构造或者是掘进工作面煤岩的硬度情况、顶板以及底板的稳定性都会影起巷道的顶板支护问题。对于地质与基础条件较好的地段，可实现快速地掘进；然而对于地质结构较为复杂的地段，巷道掘进施工的质量以及掘进的速度都会受到严重影响。例如，在褶曲断层地质构造中，极易引起煤层厚度变化巨大，造成煤岩层缺乏稳定性，从而使顶板碎裂，造成垮落事故以及顶板支护的问题。（2）施工工艺因素。现阶段，我国煤矿在巷道的掘进施工中，主要运用钻爆法进行掘进施工，并以锚喷支护为主要的支护方式，相较于传统的砌碹支护以及架棚支护而言，其掘进的速度以及施工质量都有很大提高。但在掘进施工实践中，仍存在着装药量控制失当以及炮眼缺乏有效掌握等问题，从而降低了锚网喷支护的质量。此外，对于煤矿井下一些巷道较为密集的地方，当开掘其中一条巷道之后，岩体的地应力平衡就会遭到破坏，若再进行另一条巷道施工，从而形成了两个掘进工作面的叠加，使地应力增大，也加大了顶板支护的难度。

三．加强掘进工作面顶板技术管理的措施

1.加强技术准备，提升巷道顶板的承载能力（1）根据煤矿矿压观测资料、实际的地质构造以及巷道围岩的力学性质等具体情况，选择与煤矿井下巷道施工现场最适合的支护方式；同时针对重点施工部分，如冒顶处理、掘进工作面巷道开口等，要预先制定相应的安全技术方案。（2）强化巷道掘进施工设计，并明确支设方式、临时支护形式以及材料数量与尺寸等，严格执行掘进作业规程。

2.强化支架强度以及围岩释压与让压的协调能力煤矿井下巷道在进行初掘之后，极易使巷道产生位移与变形，这就要求选择支护方式时，尽量选择初具柔性后具刚性的支护结构，缓解巷道位移与变形的问题，同时还有利于巷道空间的完整性的保持，大幅降低返修量以及返修次数。鉴于此，要加强支架强度以及围岩释压与让压的协调作用，增强巷道支护体的强度，并使围岩在适当范围内变形，进行围岩的释压，强化顶板支护效果。

3.加强对掘进工艺（1）对于地质构造与基础条件比较好的煤矿巷道施工而言，可选用整机结构紧凑、中心相对较低、机身较矮、破岩能力较强的巷道综合机械化掘进施工技术。该掘进施工技术主要由悬臂式掘进机、单体锚杆钻机以及供电设备等组成，具有较强的生产能力，并对各种地质条件都比较适应。该掘进施工技术采用液压马达，能够直接驱动装载机构，液压系统增设了自动加油装置，稳定性与可靠性高；PLC技术作为该技术电气系统的主要控制技术，还有故障诊断以及工矿检测等功能。（2）对于大断面的煤层而言，可采取连续采煤机掘进施工技术。在多巷快速煤矿掘进施工以及矩形断面双巷掘进施工中，该掘进施工技术应用广泛。采用该技术进行大断面煤矿巷道掘进时，在采用连续采煤机开掘运输巷道时，在回风巷道中，锚杆钻车可同时进行锚杆支护作业，两者还能实现连续交叉作业。

结束语

煤矿的巷道支护是施工的一个非常重要环节，如果能够正确及时支护，巷道掘进工作才可以正常开展。所以，选择较为合理的支护型式有着非常重要的意义。煤矿的巷道支护参数的合理选择将会影响到巷道支护效果与安全生产地进行。随着煤矿开采深度不断增加，煤矿的地质构造较为复杂，使得矿山压力不断增大，巷道顶板事故也在不断上升。由于受到煤层开采形成的应力相对集中的影响，使得回采巷道支护的选择与维护十分困难，应该进一步提高支护强度。

参考文献

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