岩巷综掘合理支护技术及施工工艺

王 斌

（西山煤电建筑集团矿建第二分公司，山西太原030022）

随着我国社会经济的快速发展，对煤炭资源的需求量提出了较高的要求，而且开采深度逐渐增加。对于煤炭资源开采来说，岩巷综掘是先行工序，其一般占据了巷道掘进工作量的50%左右。与煤巷掘进相比，岩巷综掘进度比较缓慢，为了保证煤矿的正常开采，通常需要采取有效措施来改善岩巷综掘的速度，因此要根据岩巷的实际情况，选择合理的支护技术和施工工艺，从而为煤矿开采奠定良好的基础。

1 合理支护对岩巷综掘的重要性

对于煤矿安全生产而言，岩巷综掘过程中的合理支护尤为关键，由于科学、合理的支护技术不仅可以确保巷道稳定、确保煤矿的安全生产，而且还能够提高岩巷综掘的速度，有效地降低了工程施工的成本。对于一些相对比较复杂的施工条件和地理环境，为其提供合理的支护技术，也能够为后续煤矿资源的开采提供安全保障。

对于岩巷综掘施工而言，合理的支护技术及施工工艺会对岩巷综掘的施工工序产生一定的影响，而且支护参数的选择和调整也会对掘进施工的作业时间和施工工序产生不同程度的影响。通过选择合理的支护技术不仅可以有效地控制围岩的变形，而且还能够减少对原材料的使用，具有较高的经济适用性。在岩巷综掘施工过程中，如果遇到软岩一般需要考虑进行二次支护，并且在第一次支护的过程中一般选择支架—围岩相互作用原理，以更好地发挥围岩的自身承载能力，当围岩的变形开始出现收敛之后就可以进行二次支护，其可以有效地提高软岩的稳定性，保证后续工程施工的顺利进行。而对于硬岩巷道，一般在确保工程顺利施工的基础上，尽可能地减少对临时支护的应用，并对永久支护的相关参数进行优化，从而减少支护过程中所需要花费的时间，有效地提高岩巷综掘速度。因此，合理支护技术和施工工艺对于岩巷综掘施工来说至关重要。

2 工程概况

2.1 岩巷埋深及布置

某煤矿的45采区石门和运输上山的方向是与煤层的走向斜交或者正交的岩石水平巷道，该巷道需要进行穿层运输，服务于整个采区的煤矿运输。岩巷综掘设计长度为985m，埋深大概为554m，底板标高为-556.65～-543.44m之间。岩巷综掘施工面位于43采区北侧，34采空区下方，并且北边与44采区瓦斯泵站毗邻，南边为回风大巷。

2.2 岩层性质

在进行岩巷综掘施工过程中，由于煤层顶板的强度比较低，岩石容易破碎冒落，因此需要按照要求做好该阶段的支护工作，同时也需要适当地增加支护时间。而当所穿越的岩石强度比较高，且性能良好，但是在具体岩巷综掘过程中，会对打眼施工产生一定的影响，会无形之中增加打眼的时间和数量，从而影响了岩巷综掘的速度。因此，岩巷综掘的施工速度会受到岩石性质的影响。

2.3 巷道围岩岩性

该煤矿45采区石门和运输上山中，岩巷综掘的埋深为-556.65～-543.44m，并且采用了直墙半圆拱形断面，断面的高为4.2m，宽为6.0m，墙高为1200mm，半圆拱的半径为3000mm，面积为21.33m2。通过对该区的地质情况进行分析可以得知，围岩岩性主要为砂岩和泥岩。

2.4 水文地质情况

在进行岩巷综掘施工过程中，其施工进度和质量会受到水文地质情况的影响，而该煤矿的水文地质条件比较复杂，涉及到3个主要的充水水源：（1）煤层顶板砂岩裂隙含水层，其主要是以粉砂岩和细砂岩为主，含水性相对比较弱；（2）由于断层的作用而产生的裂隙水；（3）对所采煤层不存在直接充水作用的太灰水。

3 45采区石门和运输上山巷道支护施工工艺概述

随着煤矿开采深度的不断增加，地质应力也随之增加，因此为了保证岩巷综掘施工的顺利进行，需要根据其实际情况选择合理的支护技术，并严格按照一定的规范和标准来进行机掘施工。其中综掘最大顶距为支护排拒的2倍，最小顶距为不大于支护排拒的1/2。对于45采区石门和运输上山岩巷综掘施工中，选择了临时支护和永久支护2种支护技术，而对于后者来说又有一次支护和二次支护2种支护方式。通过岩巷综掘施工初期的临时支护可以对顶板的冒落现象进行有效的控制，而通过永久支护可以对岩巷围岩的允许变形进行有效的控制，以保证岩巷综掘施工的顺利进行，为后续煤矿资源的开采奠定良好的基础。

图1 液压单体示意图（单位：mm）

3.1 临时支护施工工艺

45采区石门和运输上山巷道掘进过程中临时支护施工工艺由2道护山网及护山梁、6根液压点柱构成。对于液压支柱需要选择400mm×300mm×50mm的优质木材作为柱帽，并且要求柱帽紧贴顶板、柱底紧贴底板矸石，底部按照要求放入枕木、上部打入木楔，从而保证支柱的稳定性。在进行临时支护施工过程中，要求支柱之间保持等间距对称布置，将其间距误差控制在100mm之内，从而确保受压支柱均匀受力，如图1所示。对于迎头山墙所采用的护山网一般需要采用直径为10mm的抗静电阻燃绳，并且在护山网的周边选择直径为18mm网绳加工编织而成，对于护山网的布置还需要选择500mm长的锚杆对其进行固定处理，在护山网周边还需要添加间距为300～500mm的插杆，使护山网能够覆盖整个岩巷。通常情况下，护山梁一般会选择2寸的钢管通过焊接工艺来完成，并选择直径为20mm×2400mm的锚杆，并顺着岩巷的中线位置进行对称布置，从而确保临时支护施工工艺的效果，如图2所示。

图2 护山梁、护山网示意图

3.2 永久支护施工工艺

由于该煤矿岩巷综掘断面属于直墙半圆拱形，直墙的宽为6.0m，高为1.2m，半圆拱的半径为3000mm，面积为21.33m2。在该施工过程中选择了锚网索喷支护技术，但是由于该掘进范围内的地质构造比较复杂，因此在直墙半圆拱形断面选择了锚索—锚杆—网喷相结合的方式进行支护，采用的混凝土型号为C20进行喷洒成巷，喷洒厚度为150mm。（1）锚网索支护。与传统的棚式支护相比，锚杆支护具有经济、技术优越性的特点，而与锚索的联合使用可以有效地降低围岩变形，提高围岩的整体稳定性。锚杆支护可以借助围岩的自承载力来进行支护施工，当锚杆安装完成之后可以更好的与围岩形成载体，其属于一种主动支护的方式，但是传统的棚式支护则是因为围岩的岩性而出现支护阻力。对于全长锚索的使用，可以保证底部不稳定岩石更好的与上部围岩结合在一起形成刚性顶板。锚网索支护可以有效的降低围岩的变形，以确保岩巷掘进的长期稳定性。在相同工程地质条件下，如果遇到软岩巷道时，会使其变形量缩小50%，而对于硬岩巷道，可以有效地降低支护卸载和运输工作量，提升掘进的速度和经济效益。（2）锚杆（索）支护。从强度的角度可以将其分为普通锚杆、超高强锚杆和高强锚杆。从材质的角度可以分为树脂锚杆、机械式锚杆、组合锚杆、管缝式锚杆、特种锚杆等。在45采区石门和运输上山岩巷综掘施工过程中，选择了高强锚索和左旋高强螺纹钢锚杆，其具有全螺纹、结构合理、锚固力大、全长等强度等特点，有效地提升锚杆范围内岩体的强度，因此在大变形、高地应力岩巷综掘施工中得到了广泛的应用。

4 合理设计支护参数及施工工艺研究

支护技术在岩巷综掘过程中得到了广泛的应用，要想更好地提高支护效果，就需要对支护参数给予科学、合理的设计，并根据支护参数来选择施工工艺。目前，岩巷综掘过程中，工程类比法、数值模拟计算法、理论计算法、现场实际监测法等是比较常用的支护参数设计方法。

4.1 工程类比法

工程类比法主要包括了直接类比方法和间接类比方法，直接类比法主要是基于围岩的完整性、地应力大小、岩体强度、地下水位影响程度、工程断面尺寸与形状、巷道埋深、施工工艺等因素，来把待掘巷道与已掘巷道进行对比，从而选择出支护参数。间接类比法主要是基于目前我国岩巷支护技术的相关规范和标准，并根据围岩的分级来对支护参数进行设计。

4.2 数值模拟计算法

如今，随着信息技术的发展，借助数值模拟的方法来对巷道支护设计的仿真进行模拟和研究。数值模拟计算法主要是通过仿真模拟不同围岩岩性、复杂边界条件等情况，然后进行支护参数的设计，数值模拟方法最常用的有有限差分法、有限单元法、离散单元法及边界元法，其中有限单元法得到了非常广泛的应用，而且目前国际上比较常用的有限元通用软件有MCS.MARC、ANSYS、ABQUS等。

4.3 理论计算法

在确定支护材料和岩体的力学性质的基础上，可以借助理论计算法来构建数学模型，最终计算出合理的支护参数。

4.4 现场实际监测法

该方法主要是根据新奥法原则来开展的信息设计施工法，其主要是根据锚杆受力、围岩变形收敛量等现场实际监测结果来对初始设计进行相应的调整和完善，从而得到与之相匹配的支护参数，以确保支护施工的顺利进行。

4.5 合理支护参数

通过上述分析和研究后，可以得到煤矿45采区合理的支护参数：对于以泥岩为主的软岩选择了选有的支护手段，而对硬质砂岩，则放弃了顶部锚索支护，选择了锚杆长度2000.0mm，初次支护锚杆间排距为1400mm×1400mm，并根据实际情况在相邻锚杆中间补打锚杆，将锚杆间排距缩小至700mm×700mm的范围内进行支护。

4.6 施工工艺的选择

在煤矿45采区运输上山及石门施工过程中，经历了高地应力、大断面岩巷及硬质砂岩等影响掘进效率的地质问题，通过对其支护参数进行研究，并根据研究结果来制定施工工艺，有效确保了煤夯、岩巷工作面的安全交替生产，提高了岩巷综掘的施工进度和质量。

5 结束语

如今，随着我国对煤炭资源需求量的不断增加，加大对煤炭的开采效率至关重要，尤其是岩巷综掘施工速度。因此，要对该矿区的岩巷埋深及布置、岩层性质、巷道围岩岩性、水文地质情况等进行全面、系统的分析，然后选择合理的支护技术和施工工艺，从而有效提升岩巷的整体稳定性，保证煤矿开采的顺利进行。