巷道“免维护”理念在掘进工程中的应用

【摘 要】 本文介绍了掘进巷道支护的免维护理念，总结了免维护理念在开滦集团各矿井的应用情况，提出了免维护实例的标准化模板，在巷道掘进工程中应用效果明显。

【关键词】 免维护；矿区地质；涉及与方法

前言：

巷道支护免维护理念，就是根据煤层赋存特征、围岩条件和矿压状况，设计合理的巷道位置和层位，以高强度，大断面支护技术为主要支护手段，采用让抗结合、联合支护、动态加固等方法，达到长期稳定的目的，从而使巷道支护满足生产、安全及经济的需要。

具体来讲：“免维护”理念：就是一方面，在工程支护设计时，适当增强巷道支护强度，使工程在使用期内，巷道的支护强度能够抵御矿压的作用，确保工程无需再进行二次维护；另一方面，在一定程度上扩大巷道断面，使巷道承受一定的变形后，仍能满足使用要求，不必再次进行套修。

1、矿区地质条件

开滦矿区所有可采煤层之顶板底板均由粉砂岩及泥岩组成，个别为中粒砂岩和灰岩，8S、9S、12S煤层顶底板在局部地区为易风化的沉凝灰岩，岩性一般均较致密坚硬，岩石吸水性较强，松软易碎。其煤层顶底板力学性质：抗压强度63～86.5Pa，抗剪强度240～584Pa；

开滦矿区各矿井井深巷远，存在许多高应力区域，开掘巷道时受矿山压力影响较大，经过统计，有以下几种高应力巷道类型：（1）围岩软弱型，即软岩巷道，例如荆各庄矿9煤层顶板、11煤层底板的粉砂岩。林南仓矿11、12煤层顶板；（2）采动影响型，即动压巷道，例如孤岛煤柱工作面上下出口，各矿井都存在这种情况；（3）深井高应力型，即深井巷道，埋深超过600米的巷道。如赵各庄矿、林西矿、唐山矿，局部采深都超过1000米。

矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，岩石峰后状态和性质、长时强度发生变化等特点。这些特点造成巷道维护困难、维护费用高，影响生产等一系列问题。因此，免维护巷道设计就要以高强度，大断面支护技术为主要支护手段，采用让抗结合、联合支护、动态加固等方法，达到长期稳定的目的。

2、“免維护”设计方法与实例

2.1“免维护”设计方法与实例之一：采用高强度金属支架，增加巷道支护强度

荆各庄矿在台棚设计时，台棚插梁全部使用10根6.5m、29U支撑钢，台棚脸每侧变为三架，且为36U、11.9m2支架，两侧锁口棚子与末根插梁用1.2～1.5m的25U支撑钢插背，使得台棚的支护强度明显增强，避免了回采过程中再次套改台棚，保证了安全生产。

2.2“免维护”设计方法与实例之二：大断面支护

2.2.1巷道断面要以满足设备使用作为前提，荆各庄矿使用1米皮带设计成如下这种断面，其他矿如果使用1.2米皮带就需要扩大巷道断面，若使用0.8米皮带也可以适当缩小巷道断面，但要以满足使用免维护为前提。（见下图2-2-1）

2.2.2东欢坨矿在设计工作面上下顺槽时，均采用大断面设计，上顺槽设计成14.1m2断面，下顺槽设计成14.7m2断面，既保证大型综采设备的使用、安装、运输，又保证回采期间巷道变形也能保证使用。

2.3“免维护”设计方法与实例之三：支护方法选择

2.3.1让抗结合

大断面让压、高强度抗压支护为主要表现形式。

2.3.2联合支护

例如荆矿在架棚掘进过程中过9煤层顶板且上顶有淋水情况下，采用架棚喷浆联合支护的方式，起到增强支护，封闭围岩的作用。（见下图2-3-2）

2.3.3动态加固

动态加固主要是以煤层注浆为主要手段，主要方法为锚杆注浆、锚索注浆等方法，起到加固围岩，增加支护强度的作用。

图2-2-1 皮带巷储带仓大断面设计图

图2-3-2 荆各庄矿3094风道全断面锚网+U型钢支护设计

注浆是将具有充填胶结性能的材料配成浆液，以泵压作为动力源，用注浆设备通过注浆管将其注入到加固对象，浆液以渗透、充填、压密等方式扩散，通过材料自身凝固、硬化，使其与被加固对象胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、抗渗性好的“结合体”在掘进过程中可以对断层带、顶板破碎冒顶带、软岩带等进行注浆加固。

注浆的目的是防渗、堵漏、纠偏、加固。

2.4“免维护”设计方法与实例之四：支护设计方法与设计流程

2.4.1支护设计方法

支护设计方法可归纳为三大类，分别是工程类比法、理论计算法、以计算机数值模拟为基础的动态系统设计方法。

目前大多数矿井采用工程类比法、理论计算法，其中以工程类比法即经验法为主，支护设计的发展方向为以计算机数值模拟为基础的动态系统设计方法，还需要我们不断的学习借鉴。

实例：抬棚支护设计计算

图2-4-1 台棚插梁铺设图

（1）抬棚规格：

插梁：29U直型钢，长度5.5米，10根

抬棚脸：25U，10.5平方金属拱形支架。每侧3架，共6架。

抬棚净宽：4米。

抬棚跨度：3.9—4.0米。

抬棚支撑长度：即插梁长度，5.5米。

（2）抬棚顶板压力计算：

根据公式：Pt=α×L2×r×a×9.8

Pt——巷道顶板压力（KN）；

α——承载系数α=1；

L——巷道掘进宽度（m）；

r——顶板岩石容重（2.5t/m3）；

a——支撑长度（m）。

得出：Pt=1*4*4*2.5*5.5*9.8=2156KN。

（3）抬棚支撑压力计算：

抬棚的支撑压力即为抬棚脸的支撑压力：

矿用金属拱形支架额定载荷P（10.5支架）=395KN

抬棚脸的额定载荷P=抬棚脸数量*支架额定载荷=6*395=2370KN

P（抬棚的额定载荷）2370>P抬棚压力2156。

因此抬棚支撑力满足巷道压力要求。

（4）插梁抗压强度计算：

因为插梁是沿抬棚宽度方向均匀布置的，每根插梁所承受的巷道压力应该近似相同。插梁承受压力等于抬棚承受压力为2156KN，每根插梁承受215.6KN的压力。29U型钢，抗弯压力为297KN，大于插梁承受压力215.6KN.

因此用29U及以上的型钢作为抬棚插梁满足抬棚支撑要求。

2.4.2巷道支护设计流程

收集地质资料、临近巷道层位及支护状况分析、周边开采环境及扰动影响→判断围岩开挖后的悬露时间→能满足一次支护工序所需最短时间→围岩可锚性判断→选择架棚支护或锚网支护

3.“免维护”理念的成果

通过近几年的“免维护的实践。我们体会到：巷道“免维护”理念的体现不是一味地增强巷道支护强度，而是根据围岩性质、矿山压力、相邻区域附近煤层的采动情况、巷道使用年限，根据理论和实践相结合的原则确定巷道支护形式，计算支护参数时，在原计算基础上增加20%为宜。

为了体现“免维护”理念的先进性和实用性。我们对荆各庄矿业公司2007年～2011年掘進工程的进尺量、套修量、套修率、投入人力和套修费用进行了统计。（详见表3-1）。

表3-1 “免维护”理念取得收益表

2007年 2008年 2009年 2010年 2011年

进尺量（m） 2929 2832 2718 2619 2628

套修量（m） 868 736 718 512 382

套修率（%） 29.6% 26.0% 26.4% 19.5% 14.5%

投入人力（人/年） 55 45 45 30 23

套修费用（万元） 41.25 33.75 33.75 22.5 17.25

据表3-1的统计，我们对其进行了对比分析，分别绘制了2007～2011年进尺和套修统计图“（详见图3-2）；免维护”效益对比图（详见图3-3）。

图3-2 2007～2011年进尺和套修统计图

图3-3 效益对比图

从上述两幅图表中可以看出，荆各庄矿自2009年开始，将“免维护”理念应用到掘进工程的设计和施工之中。不论从套修量和套修率上都有大幅度的下降，从而取得了非常可观的经济效益。

4.结语

免维护理念在巷道掘进工程中的合理应用，有效的保证高应力区域的巷道支护强度，不断探索和改进支护技术，达到巷道支护可靠、技术经济效果好，满足生产要求，降低套修工程的二次投入成本，改善支护效果。掘进施工达到一次成巷，减少清卧套修等工程量，延长巷道服务期限，为后期掘进及回采进入打好生产安全基础。

作者简介：姜志刚（1970-），男，河北唐山人，1992年毕业于山西矿业学院采矿工程系采矿专业，开滦集团（有限）责任公司煤业分公司生产技术部高级工程师。