探析煤矿井下巷道掘进顶板支护

杨 磊 高 远

（河南平宝煤业有限公司，河南 许昌 450670）

由于开掘煤矿井下巷道之后，生产应力会进行重新的分布，此时若顶板支护不及时，煤矿井下巷道围岩就很有可能产生位移、变形、破坏等问题。因此，为保障煤矿井下巷道掘进施工的安全顺利开展，就要求在巷道掘进过程中，要加强顶板支护控制与管理。就煤矿企业而言，煤矿井下巷道的掘进施工不仅要考虑到矿区的地质构造、掘进工艺与设备、掘进速度，还要考虑到施工的组织管理以及施工速度以及施工人员素质的提升等多方面，是一项系统且复杂的工程。因此，如何加强煤矿井下掘进工作面顶板支护控制是当前煤炭企业生产中亟待解决的问题。

1 常见的煤矿井下巷道掘进顶板支护方式

煤矿井下巷道支护主要经历了木支架支护、砌碹支护、可缩性支架支护以及锚杆支护等几个阶段。在煤矿的巷道掘井的支护形式中，锚杆支护、矿用支护型钢以及可缩性支架支护等是比较典型的支护形式。

1.1 锚杆支护

锚杆支护是我国煤矿巷道首选的支护方式，锚杆支护可有效改善煤矿巷道的布置方式，能有效提高煤矿煤炭产量以及效益。该支护方式主要运用的支护构件有锚杆杆体、锚杆托板、锚固剂、钢带以及网等。其中，锚杆的主要作用在于抗剪与抗拉；而托板即是围岩与锚杆尾部相互接触的构件，其主要作用在于：通过施加适当的扭矩给螺母，从而使巷道的表面受到托板紧压，以此提供预紧力给锚杆，并扩散到煤岩体中，使围岩的应力状态得以有效改善，从而抑制围岩节理裂隙张开、结构面滑动或者围岩离层等问题；同时托板还能够将围岩变形产生的荷载传递给锚杆杆体，从而使锚杆的工作阻力增大，有效抑制围岩变形。网紧贴于巷道表面，能够提供支护力并起到防止围岩中的破碎岩块跨落的作用。

1.2 矿用支护型钢

工字钢与U 型钢是当前煤矿矿用支护型钢的两种主要的类型。通常而言，在煤矿的椭圆形、半圆形以及圆形的巷道断面中，这类矿用支护型钢因其具有良好的韧性、且抗剪、抗压与抗拉的能力较强等优势，应用非常广泛。由于煤矿巷道掘进的工作环境非常复杂，因此，就给矿用支护型钢的使用提出了更高的性能要求。一方面，煤矿井下巷道掘进中产生的横向的荷载以及竖向的推动力均须由支护架承担，就要求使用的支护架在横向与纵向的两个方向上，都要具备足够的负荷承载能力。同时，截面抵抗矩直接影响着矿用支护型钢的断面集合参数，因此，煤矿巷道支架的负荷承载能力应与截面抵抗矩的相应数值接近。另一方面，煤矿巷道支架的可缩性能决定着矿用支护型钢的集合形状，这就要求在滑移或者锁紧其集合形状时，要确保矿用支护型钢的受力状况要好，接触面面积尽可能大，且能进行平稳地滑移。

1.3 可缩性支架支护

一般情况下，金属支架的负荷承载能力主要表现在两方面：一是极限承载能力；二是实际承载能力。极限承载能力是指煤矿巷道的可缩性支架在其刚性过程中所呈现出的最大负荷承载能力。煤矿巷道支架是否发生塑性变形决定了支架极限承载能力的达标状况。实际承载能力指的是煤矿巷道的可缩性支架在其收缩的过程中呈现出的负荷承载能力，它主要受到煤矿巷道支架的工作状况以及连接件的影响。通常而言，在煤矿巷道支架的实际承载能力与极限承载能力相差不大的情况下，巷道的可缩性支架状态最好。

2 煤矿井下巷道掘进顶板支护问题及其影响因素

2.1 煤矿井下巷道掘进顶板支护的问题分析

2.1.1 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。

2.1.2 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。

2.2 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。

2.2.1 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。

2.2.2 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。

3 煤矿井下巷道掘进顶板支护控制的技术管理措施

3.1 加强技术准备，提升巷道顶板的承载能力

强化巷道掘进施工前的技术准备。（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。

煤矿巷道掘进施工中，无论选用哪种支护结构，都要确保开掘巷道要最大程度的光滑与平整，因此选用的爆破方式通常采用光面爆破方式，并辅以锚喷支护方式，从而使围岩的完整性与稳定性得以保护，并降低煤岩层的松动程度，使顶板自身承受负荷的能力得以加强，使支护体结构与围岩共同完成承载作用。

3.2 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。

3.3 加强对掘进工艺与设备的投入力度

采用先进的巷道掘进施工技术。（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。

加强对掘进施工的设备投入。在煤矿井下的巷道掘进施工中，尽量推广运用锚索以及锚网等可缩性支架进行支护，并进行机械化作业。同时，在小断面煤矿巷道的掘进施工中，可推广使用凿岩台车，实现钻孔开孔、换钎返钎以及定位等的自动化；在大断面的煤矿巷道掘进施工中，可加强使用综掘机、TBM掘进机以及盾构机等，提升掘进速度与施工质量，实现一次成巷。

4 结语

综上所述，在煤矿井下巷道掘进施工中，巷道支护尤其是顶板支护是必不可少的环节，只有进行准确且及时地顶板支护，才能保障巷道掘进施工安全正常进行。因此，在煤矿的井下巷道掘进施工中，要根据煤矿具体情况，合理选择支护方式，提升巷道支护效果。同时，随着巷道掘进深度的增加，煤矿的压力也随之增大，从而使巷道顶板事故频发。因此，在巷道掘进施工中，还要注重运用先进掘进施工工艺与设备，提升顶板的支护强度，保障巷道掘进施工顺利安全开展。

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