煤礦巷道支護技術及應用研究

蘇耀杰

（大同煤礦集團晉華宮礦，山西大同037000）

引言

支護巷道是煤礦開采過程中的一道重要工序，是確保煤礦安全開采的關鍵。各礦井長期開采，礦井煤炭資源量必然不斷減少，煤礦開采的地質條件也會越來越復雜，這就給礦井巷道支護工作提出了更高要求，特別是當?shù)V井煤炭資源開發(fā)進入深部開采階段后，面臨的巷道支護問題將會更多，如高地應力引發(fā)巷道大變形，斷層褶曲較難支護等。另外，隨著我國煤礦科技的發(fā)展，一些高效采煤法如大采高綜采、綜放得到了廣泛應用，而這些采煤法會產(chǎn)生更大的采動應力，同時要求巷道斷面及跨度也越來越大，這也在某種程度上增加了巷道支護難度。

1 錨桿錨索支護工藝及要求

1.1 錨桿支護工藝及要求

對于錨桿支護工藝而言，首先應定錨桿眼位，按照錨桿布置要求和巷道中線在頂板畫線布點，幫錨桿按設計要求使用自噴漆噴出眼位，以安裝幫部鋼帶。其次應施工錨桿眼，可用Ф19 mm的六方鉆桿配合Ф28 mm鉆頭開頂板錨桿眼，應用手持式風動錨桿鉆機施工幫部錨桿，可用Ф28 mm麻花鉆桿與Ф32 mm鉆頭施工巷幫錨桿眼。最后安裝錨桿，具體安裝方法參照錨桿安裝工藝流程，安裝時由外向里、由中間向兩側施工，安裝好錨桿后緊固螺母：頂錨桿采用錨桿機緊固停機后緩慢降下錨桿機，幫錨桿緊固時先調整鋼托板及鋼帶位置至設計要求，再用加力扳手將錨桿螺母擰緊，保證錨桿托板不松動[1]。

1.2 錨索支護工藝及要求

對于錨索支護工藝而言，首先也應確定錨索眼位，具體確定方法以巷道規(guī)格尺寸為依據(jù)，根據(jù)錨索布置要求把錨索眼位確定出來，并進行標記。其次用錨桿鉆機施工錨索眼，具體施工時應參照錨索眼事先設計的深度、角度施工。最后安裝錨索。安裝前應先檢查錨索是否合格，錨固劑是否過期，同時應注意檢查錨索眼的眼位、角度、深度等是否符合施工要求。施工時用錨索將藥卷緩緩推入眼底，將專用攪拌器尾部插入錨桿鉆機，并與錨索相連，開啟鉆機，一邊推進，一邊攪拌藥卷，大約攪拌30～50 s左右然后再停止攪拌，這時錨桿鉆機保持推力狀態(tài)2 min再放下鉆機。安裝好4根錨索鋼絞線后，過10 min再進行錨索梁、托板、錨具的安裝，最后用錨索張拉器張拉錨索。把錨索張拉器套在錨索上，同時拴好安全鏈，操作高壓油泵，實施張拉，在實際張拉時，應仔細觀察壓力表指針是否達到了預緊力，若達到了預緊力，應迅速換向回程，卸下錨索張拉器。

2 錨桿錨索對巖體的加固作用

1）通過錨桿錨索與巖體的整體黏結，巖體可更好抵抗各種擠壓變形，巖體的整體性更強。

2）借助錨桿錨索的抗拉性，用錨桿錨索把破碎巖石穿起來，并讓錨桿錨索牢固插入穩(wěn)定巖石，可有效懸吊破碎巖層。

3）利用錨桿錨索的抗剪性可有效阻礙巖層間發(fā)生離層，防止巖層發(fā)生相對滑動，有助于巖層形成組合梁[2]。

3 錨桿錨索支護優(yōu)勢

棚式支架是之前用于支護掘進巷道頂板的主要構件，這種構件存在很多缺陷如：支護阻力存在限度，初撐力不足，不具備主動支撐頂板的能力，無法防止巷道頂板早期離層。與傳統(tǒng)的棚式支架相比，錨桿支護的支護優(yōu)點更多，如：當頂板暴漏后可通過及時安裝錨桿錨索進行加固，具有主動加固巷道頂板巖層的能力，可用力矩扳手預緊頂板。提升頂板巖層屈服應力，當外力破壞巖層時，或巖層發(fā)生分化時，錨桿錨索支護的承載作用仍然不變，其支護安全性更高[3]。

應用單根錨桿錨索在進行巷道巖體加固時，可在錨桿錨索四周形成應力包，逐步增加錨桿錨索數(shù)量，并采用適當?shù)腻^桿間排距，可形成錨桿群來加固巖體，這時兩個相鄰錨桿錨素周圍應力包會彼此疊加，逐步積累形成一個牢固的巖體內承載圈加固帶。在用錨桿錨索支護某具體開掘巷道時，對于錨桿錨索具體支護形式的確定，應綜合考慮巷道巖石硬度、巖石完整性、具體層節(jié)理情況，并結合地應力、預期服務年限等因素來確定?；趥雾斝源唷⑷菀灼扑?，而直接頂較堅實、牢固，人們常用錨桿錨索、網(wǎng)進行支護。當待支護巷道頂板較平整，載荷小時，也可用錨桿錨索聯(lián)合鋼帶進行支護。當待支護巷道頂板不平整，載荷較大時，應用錨桿錨索聯(lián)合鋼梁來支護。對于錨桿桁架其支護原理主要是借助拉桿形成的擠壓力來抵消或減弱下位巖層的拉應力，組織成一種頂板巖層受壓，拉桿受拉的承載結構，在應用此承載結構時，巷道兩幫媒體應有較高強度，若待支護巷道頂板完整性相對較好，同時又有較大的分層厚度時，其支護方式還應選用錨桿錨索支護。此外，在實際實施支護作業(yè)時，可借助錨索鋼絞線較長的優(yōu)勢，制作一個加固拱在圍巖上部，這樣可更好地防止圍巖上部巖石發(fā)生松動或變形，進而更好地確保巷道的穩(wěn)定、牢固支護[4]。

4 高應力巷道分析

圍巖應力與圍巖強度是影響巷道破壞的兩個重要因素，當圍巖應力比圍巖強度大時，巷道圍巖易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，造成巷道破壞。由此可見高應力巷道極易發(fā)生巷道破壞。

4.1 高應力巷道變形破壞特征

高應力巷道大致分為深埋高應力巷道、構造高應力巷道以及采動高應力巷道。由于巷道受內部高應力的作用，會使煤巖體的實際變形特性產(chǎn)生變化，具體主要表現(xiàn)為：

1）在高地應力的影響下，巷道圍巖會從脆性變形逐步轉變?yōu)樗苄宰冃危@樣對于那些深部堅硬圍巖來說，軟巖變形特性將會更加明顯。

2）巷道圍巖時間效應明顯，流變特性顯著，會呈現(xiàn)出很大的累積變形量，持續(xù)的大變形會增加圍巖控制難度。

3）部分強度大、沖擊傾向性強、具有脆性較大的圍巖，在高應力的嚴重影響下，會呈現(xiàn)出更加顯著的動力沖擊破壞特性，易突然發(fā)生巷道破壞，瞬間摧毀圍巖，震動大，巨響大[5]。

4.2 高應力巷道圍巖的控制

可通過下列三種途徑來控制高應力巷道圍巖：一是應科學布設巷道，使巷道處于基礎地質條件較好的區(qū)域；二是可借助人工卸壓法，來降低巷道圍巖應力，還可通過強化巷道內支護，可讓一些U型鋼、工字鋼、鋼管混凝土等直接支護體，直接支護于巷道圍巖表面，以更好地抵抗受內部應力向巷道內變形收斂；三是加固圍巖，可借助錨桿、錨索以及注漿等方式來加固支護圍巖，以增強圍巖自身自承載能力，對圍巖變形破壞進行有效控制。

5 沖擊地壓巷道分析

隨著各礦井開采年限的增加，開采深度越來越深，近年來發(fā)生的各種沖擊地壓事故不斷增多。沖擊地壓事故危害性巨大，具有十分復雜的發(fā)生機理，且影響因素較多。

5.1 沖擊地壓巷道來壓特征

1）來壓劇烈，存在顯著的動力特征。一般頃刻間就可摧毀幾十米的巷道，可拋出幾十噸，甚至上百噸的煤巖體，可瞬間堵塞巷道斷面。

2）突發(fā)性強，來壓前征兆不明顯。時常會突然發(fā)作，像爆炸一樣。

3）破壞性大，當沖擊地壓爆發(fā)時，通常會伴隨著放出大量沖擊能量，導致巷道閉合，嚴重損毀設備甚至引發(fā)人員傷亡[6]。

5.2 沖擊地壓巷道控制

由于巷道高應力，嚴重沖擊載荷，巷道圍巖力學特性以及支護情況等因素，都會影響到巷道沖擊地壓的發(fā)生，因此，可從這四個方面著手來控制沖擊地壓巷道：應避開高應力區(qū)來布設巷道；選用合理的卸壓方法來有效降低圍巖應力；對圍巖改性，讓圍巖更完整，減弱圍巖沖擊傾向性；科學選用巷道支護形式，合理布設巷道支護參數(shù)，以強化巷道支護。

在實際生產(chǎn)中，在支護沖擊地壓巷道時，應堅持高承載能力原則、柔性支護原則、穩(wěn)定性原則、整體性原則來支護巷道。

6 結語

隨著各礦井開采年限的增加，礦井可采煤炭資源量不斷減少，開采條件也越來越復雜，煤礦企業(yè)對巷道支護技術提出了更高要求。各礦區(qū)在選用支護技術時，必須從本礦井地質條件出發(fā)，選用適宜的支護技術，提高巷道穩(wěn)定性，更好地保障礦井施工安全。

[1]孟慶彬，喬衛(wèi)國，林登閣，等.深部軟巖巷道支護技術研究及工程實例[J].煤礦支護，2011（1）：1-6.

[2]張路亭.關于煤礦巷道支護技術的探究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011（8）：55-58.

[3]李取生，薄福利，丁希陽，等.深部軟巖巷道變形特性及其控制支護技術研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2015（4）：8-14.

[4]師培俊.煤礦巷道掘進施工與支護技術研究[J].能源與節(jié)能，2015（9）：56-58.

[5]李東.基于可靠性的錨桿支護設計理論與應用研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2005.

[6]杜強.煤礦“三軟”不穩(wěn)定煤層回采巷道支護技術研究[D].西安：西安科技大學，2009.