煤矿巷道支护技术及应用研究

2018-02-16苏耀杰

机械管理开发 2018年1期

苏耀杰

（大同煤矿集团晋华宫矿，山西大同037000）

引言

支护巷道是煤矿开采过程中的一道重要工序，是确保煤矿安全开采的关键。各矿井长期开采，矿井煤炭资源量必然不断减少，煤矿开采的地质条件也会越来越复杂，这就给矿井巷道支护工作提出了更高要求，特别是当矿井煤炭资源开发进入深部开采阶段后，面临的巷道支护问题将会更多，如高地应力引发巷道大变形，断层褶曲较难支护等。另外，随着我国煤矿科技的发展，一些高效采煤法如大采高综采、综放得到了广泛应用，而这些采煤法会产生更大的采动应力，同时要求巷道断面及跨度也越来越大，这也在某种程度上增加了巷道支护难度。

1 锚杆锚索支护工艺及要求

1.1 锚杆支护工艺及要求

对于锚杆支护工艺而言，首先应定锚杆眼位，按照锚杆布置要求和巷道中线在顶板画线布点，帮锚杆按设计要求使用自喷漆喷出眼位，以安装帮部钢带。其次应施工锚杆眼，可用Ф19 mm的六方钻杆配合Ф28 mm钻头开顶板锚杆眼，应用手持式风动锚杆钻机施工帮部锚杆，可用Ф28 mm麻花钻杆与Ф32 mm钻头施工巷帮锚杆眼。最后安装锚杆，具体安装方法参照锚杆安装工艺流程，安装时由外向里、由中间向两侧施工，安装好锚杆后紧固螺母：顶锚杆采用锚杆机紧固停机后缓慢降下锚杆机，帮锚杆紧固时先调整钢托板及钢带位置至设计要求，再用加力扳手将锚杆螺母拧紧，保证锚杆托板不松动[1]。

1.2 锚索支护工艺及要求

对于锚索支护工艺而言，首先也应确定锚索眼位，具体确定方法以巷道规格尺寸为依据，根据锚索布置要求把锚索眼位确定出来，并进行标记。其次用锚杆钻机施工锚索眼，具体施工时应参照锚索眼事先设计的深度、角度施工。最后安装锚索。安装前应先检查锚索是否合格，锚固剂是否过期，同时应注意检查锚索眼的眼位、角度、深度等是否符合施工要求。施工时用锚索将药卷缓缓推入眼底，将专用搅拌器尾部插入锚杆钻机，并与锚索相连，开启钻机，一边推进，一边搅拌药卷，大约搅拌30～50 s左右然后再停止搅拌，这时锚杆钻机保持推力状态2 min再放下钻机。安装好4根锚索钢绞线后，过10 min再进行锚索梁、托板、锚具的安装，最后用锚索张拉器张拉锚索。把锚索张拉器套在锚索上，同时拴好安全链，操作高压油泵，实施张拉，在实际张拉时，应仔细观察压力表指针是否达到了预紧力，若达到了预紧力，应迅速换向回程，卸下锚索张拉器。

2 锚杆锚索对岩体的加固作用

1）通过锚杆锚索与岩体的整体黏结，岩体可更好抵抗各种挤压变形，岩体的整体性更强。

2）借助锚杆锚索的抗拉性，用锚杆锚索把破碎岩石穿起来，并让锚杆锚索牢固插入稳定岩石，可有效悬吊破碎岩层。

3）利用锚杆锚索的抗剪性可有效阻碍岩层间发生离层，防止岩层发生相对滑动，有助于岩层形成组合梁[2]。

3 锚杆锚索支护优势

棚式支架是之前用于支护掘进巷道顶板的主要构件，这种构件存在很多缺陷如：支护阻力存在限度，初撑力不足，不具备主动支撑顶板的能力，无法防止巷道顶板早期离层。与传统的棚式支架相比，锚杆支护的支护优点更多，如：当顶板暴漏后可通过及时安装锚杆锚索进行加固，具有主动加固巷道顶板岩层的能力，可用力矩扳手预紧顶板。提升顶板岩层屈服应力，当外力破坏岩层时，或岩层发生分化时，锚杆锚索支护的承载作用仍然不变，其支护安全性更高[3]。

应用单根锚杆锚索在进行巷道岩体加固时，可在锚杆锚索四周形成应力包，逐步增加锚杆锚索数量，并采用适当的锚杆间排距，可形成锚杆群来加固岩体，这时两个相邻锚杆锚素周围应力包会彼此叠加，逐步积累形成一个牢固的岩体内承载圈加固带。在用锚杆锚索支护某具体开掘巷道时，对于锚杆锚索具体支护形式的确定，应综合考虑巷道岩石硬度、岩石完整性、具体层节理情况，并结合地应力、预期服务年限等因素来确定。基于伪顶性脆、容易破碎，而直接顶较坚实、牢固，人们常用锚杆锚索、网进行支护。当待支护巷道顶板较平整，载荷小时，也可用锚杆锚索联合钢带进行支护。当待支护巷道顶板不平整，载荷较大时，应用锚杆锚索联合钢梁来支护。对于锚杆桁架其支护原理主要是借助拉杆形成的挤压力来抵消或减弱下位岩层的拉应力，组织成一种顶板岩层受压，拉杆受拉的承载结构，在应用此承载结构时，巷道两帮媒体应有较高强度，若待支护巷道顶板完整性相对较好，同时又有较大的分层厚度时，其支护方式还应选用锚杆锚索支护。此外，在实际实施支护作业时，可借助锚索钢绞线较长的优势，制作一个加固拱在围岩上部，这样可更好地防止围岩上部岩石发生松动或变形，进而更好地确保巷道的稳定、牢固支护[4]。

4 高应力巷道分析

围岩应力与围岩强度是影响巷道破坏的两个重要因素，当围岩应力比围岩强度大时，巷道围岩易发生失稳现象，造成巷道破坏。由此可见高应力巷道极易发生巷道破坏。

4.1 高应力巷道变形破坏特征

高应力巷道大致分为深埋高应力巷道、构造高应力巷道以及采动高应力巷道。由于巷道受内部高应力的作用，会使煤岩体的实际变形特性产生变化，具体主要表现为：

1）在高地应力的影响下，巷道围岩会从脆性变形逐步转变为塑性变形，这样对于那些深部坚硬围岩来说，软岩变形特性将会更加明显。

2）巷道围岩时间效应明显，流变特性显著，会呈现出很大的累积变形量，持续的大变形会增加围岩控制难度。

3）部分强度大、冲击倾向性强、具有脆性较大的围岩，在高应力的严重影响下，会呈现出更加显著的动力冲击破坏特性，易突然发生巷道破坏，瞬间摧毁围岩，震动大，巨响大[5]。

4.2 高应力巷道围岩的控制

可通过下列三种途径来控制高应力巷道围岩：一是应科学布设巷道，使巷道处于基础地质条件较好的区域；二是可借助人工卸压法，来降低巷道围岩应力，还可通过强化巷道内支护，可让一些U型钢、工字钢、钢管混凝土等直接支护体，直接支护于巷道围岩表面，以更好地抵抗受内部应力向巷道内变形收敛；三是加固围岩，可借助锚杆、锚索以及注浆等方式来加固支护围岩，以增强围岩自身自承载能力，对围岩变形破坏进行有效控制。

5 冲击地压巷道分析

随着各矿井开采年限的增加，开采深度越来越深，近年来发生的各种冲击地压事故不断增多。冲击地压事故危害性巨大，具有十分复杂的发生机理，且影响因素较多。

5.1 冲击地压巷道来压特征

1）来压剧烈，存在显著的动力特征。一般顷刻间就可摧毁几十米的巷道，可抛出几十吨，甚至上百吨的煤岩体，可瞬间堵塞巷道断面。

2）突发性强，来压前征兆不明显。时常会突然发作，像爆炸一样。

3）破坏性大，当冲击地压爆发时，通常会伴随着放出大量冲击能量，导致巷道闭合，严重损毁设备甚至引发人员伤亡[6]。

5.2 冲击地压巷道控制

由于巷道高应力，严重冲击载荷，巷道围岩力学特性以及支护情况等因素，都会影响到巷道冲击地压的发生，因此，可从这四个方面着手来控制冲击地压巷道：应避开高应力区来布设巷道；选用合理的卸压方法来有效降低围岩应力；对围岩改性，让围岩更完整，减弱围岩冲击倾向性；科学选用巷道支护形式，合理布设巷道支护参数，以强化巷道支护。

在实际生产中，在支护冲击地压巷道时，应坚持高承载能力原则、柔性支护原则、稳定性原则、整体性原则来支护巷道。