采煤掘进中高强支护技术的运用探究

杨振国

（山西兰花百盛煤业有限公司， 山西 晋城 048411）

1 煤矿概况

山西兰花百盛煤业有限公司隶属于山西兰花科技创业有限公司，该公司的矿井井田属于山西省沁水煤田高平矿区王报井田的一部分，井田面积6.907 6 km2，井田以宽缓褶曲为主伴有少量断层和陷落柱的单斜构造，走向NE，倾向NW，倾角小于15°，构造属一类（简单构造）。水文地质条件中等，属低瓦斯矿井。矿井的开采深度在+800～+520 m，批准开采3号、9号、15号煤层，现开采3号煤，3号煤层平均厚度5.3 m，采用综采放顶煤采煤法。现矿井新建9号、15号煤层开采系统。本文以3号煤层为例，就高强支护技术的采煤掘进中的应用进行探析。

2 高强支护技术概述

2.1 高强支护技术定义

煤矿开采过程中经常需要在复杂的地质环境下进行采煤掘进作业，在此过程中利用钢丝网、喷砼、锚杆以及锚索等技术对巷道围岩进行加固的手段就是高强支护技术。树脂锚杆是目前采煤掘进高强支护技术中较为常用的一种材料，改材料具有性价比高、支撑性能良好、便于运输安装的优势。我国地域辽阔，一些复杂地质条件下的土层结构较为脆弱，采煤掘进的难度较高，高强支护技术的应用可以显著提高巷道的稳定性和作业的安全性。

2.2 高强支护技术应用原理

主动支护是实现高强支护作用的必要条件，通过在采掘巷道顶部的高强支护，当最大预应力出现是高强支护装置可以自动开启预应力承载结构，利用传递出的应力抵消部分的垂直应力，通过围岩强度的降低控制岩壁变形，进而提高巷道内壁的抗变形和抗压能力，以达到加固巷道围岩的稳固性的目标，提高采煤掘进作业的安全性。高强支护技术的本质就是应力的传递和转移，因而高强支护装置也常被称作预应力承载梁[1]。在实际的煤矿开采中可以通过增加锚杆长度和承载力的方式实现主动高强支护。

2.3 高强支护技术的优势

采煤掘进中运用高强支护技术的优势主要表现在以下四个方面：一是高强支护可以提高深层巷道的稳固性，增加巷壁承载力，保障采掘作业人员的安全性；二是高强支护技术施工难度和成本都不高，且对于环境的适应性较强，基本上各类地质条件下的采煤掘进都可以应用高强施工技术；三是高强支护装置各部件易于运输和组装，不会给井下作业人员增加额外的负担；四是高强支护技术通过对巷道稳定性的提升降低了后续巷道维护的工作量，有利于成本控制目标的实现，延长了巷道的使用寿命，有利于煤矿企业经济效益的提升。

2.4 高强支护技术的应用要点

首先在施工之前要先对需要支护的采掘巷道进行考察，明确地质条件、温度、岩层类型等，通过各项参数的计算和施工难度的评估确定具体的高强支护技术类型和施工方案。其次要实现巷道的主动防护，技术人员要尽可能通过各类支护装置促进巷道围岩自身承受能力的增强，通过围岩预应力的提高实现巷道自主支护。最后建立完善的高强支护装置检测系统，对现有的巷道支护构件信息进行采集和分析，进而了解采掘巷道的高强支护现状，从而明确后续的支护改进方案，提高采掘巷道的寿命。

3 高强支护技术在采煤掘进中的实际运用

3.1 喷射混凝土支护技术

山西兰花百盛煤业的3号矿井通过超高强喷射混凝土支护技术的应用，显著提高巷道的稳定性，施工作业中没有出现过巷壁掉落导致的安全事故。根据喷射方式的不同喷射混凝土支护可以分为水泥裹砂喷射技术和干式喷射技术等。干式喷射需要利用喷砂机，作业人员先将混凝土、水泥以及速凝剂等材料添加适量的水后进行混合搅拌，之后再利用喷砂机向采煤掘进巷道的围岩墙壁上喷射混合物，以实现对围岩的加固。水泥裹砂喷射混凝土支护技术需要使用到砂粒和水泥，使水泥裹住砂粒，再利用泵或者是压缩空气将混合物喷射到围岩外壁上，提高巷道围岩的承载力。在实际采煤掘进施工之前，技术人员需要先了解巷道的地质条件、采掘要求、支护成本、围岩类型等情况，选择恰当的喷射混凝土支护技术并制定相应的施工方案，以此作为具体的高强支护技术实施的参考。

3.2 锚杆支护技术

锚杆支护技术也是十分常用的高强支护技术类型，山西兰花百盛煤业锚杆支护技术实施可分为三个阶段，首先是根据采掘巷道的岩层性质和断面形状选择恰当的锚杆布置方式，在此基础上结合巷道的应用年限、围岩动压的承受能力、断面现状等进行锚杆的细化设计；二是明确锚杆空顶的距离和混凝土喷射，为了提高巷道的稳固性尽可能避免围岩的脱层及风化，最低锚杆空顶距离不应超过1.5 m，且喷射混凝土的时机必须要把握好；三是检测，在锚杆支护装置施工结束后还需要对其进行检测，分析施工结果与设计之间的误差。图1为煤矿巷道中锚杆支护的结构示意图，锚杆可以将松动的岩块稳定在围岩中，并尽可能将其深入稳定岩层内，实现岩层与不稳定岩块的联接，避免岩层脱落导致的安全事故。利用锚杆可以实现相应厚度的岩层的组合，通过组合拱、组合梁等更为稳固的形式降低岩层滑移以及坍塌出现的可能性。加固是锚杆支护的重要作用，符合巷道围岩规律的锚杆群设计，可以对巷道镀金相应深度的围岩进行挤压和粘结，通过承载环实现对采掘巷道的防御支护。

图1 锚杆支护结构示意图

3.3 光爆锚喷支护技术

光爆锚喷支护技术综合运用了光面爆破、锚杆支护和喷射混凝土支护技术，图2为山西兰花百盛煤业3号矿井所应用的光爆锚喷支护技术的竖向结构示意图，通过锚杆将松软岩层与坚硬岩层进行了联接，并利用混凝土喷射层对其进行了加固，有效提高了采掘巷道的稳固性。技术人员在光爆锚喷技术应用之前会对施工所涉及的各项参数进行明确，包括巷道的最小抵抗线、炸药类型、炮孔间距、装药结构以及不耦合系数等，提高光爆锚喷支护技术的施工效率，增强巷道围岩薄弱部位的抗压能力，维持岩层自身的稳定性，避免围岩的松动或者是变形，保障采煤掘进巷道的安全性。

图2 光爆锚喷支护技术

3.4 联合支护技术

除了上述三种高强支护技术之外，山西兰花百盛煤业3号矿井在实际的施工作业中也会根据具体的地质条件和围岩性质对多种支护技术进行联合运用。技术人员将U型钢可缩性直接技术与锚背支护技术进行了联合，在有效控制巷道变形之外还弥补了混凝土喷射支护技术的缺陷，使支护装置的强度和安全性都显著提高，有效保障了采煤掘进巷道施工的安全性[2]。此外锚梁网联合支护技术也有着良好的运用效果，技术人员先通过光面爆破技术实现巷道的掘进，再进行初步喷射和锚孔的设置，利用锚杆、钢梁以及钢丝对巷道进行支护之后再在外层喷射混凝土，提高了支护装置的固定性和抗压性，对于采煤作业的顺利进行有着重要的意义。钢筋网、木材以及混凝土都是高强联合支护技术的常用材料，其中钢筋网背板在3号矿井的采掘巷道支护中应用最多，将其与U型钢可缩性支架进行联合可以实现内部支护与外部支护的结合，显著提高了煤矿采煤掘进巷道的安全稳固性[3]。

4 结语

采煤掘进的难度会伴随着煤矿采掘深度的提高而增加，深层巷道以及特殊地质条件的采煤巷道的稳定性较差，为了保障采煤作业人员的安全性必须要采取有效的支护措施，提高高强支护技术的应用水平。目前高强支护技术已经在实际的煤矿开采中得到了广泛的应用实践，取得了良好的支护效果，保障了巷道的安全性，在一定程度上降低了采煤掘进的工作难度，提高煤矿开采的效率，促进了我国煤矿事业的进步与可持续发展。