煤矿采区巷道支护设计方案研究

赵树理

【摘  要】随着煤炭开采量的不断增加，煤矿开采深度不断加深，开采时遇到的地质情况也是越来越复杂，对煤矿开采安全尤其是巷道支护的要求更是越来越高。目前，在煤巷支护工程中用到的最多的支护技术是锚杆支护。

【关键词】回风巷;悬吊理论;支护

引言

近年来煤矿开采水平向深度发展，出现的软岩工程问题越来越多。软岩巷道变形量大，支护受力大，一般采用可缩性U型钢支架，但是其不但成本高、劳动强度大，而且有时还容易发生破坏。自从围岩松动圈支护理论提出，在随后的巷道支护研究中确定主要研究对象为松动圈发展过程中的碎胀变形。人们逐渐开始用锚喷支护代替U型钢支架来解决软岩支护问题，不仅支护效果好，而且经济技术效益显著。

1.巷道断面的最佳设计

在我国随着矿井开采深度的增加，工作面回采机械化程度提高，要求回采巷道断面积加大，因而使矿压显现更加剧烈，回采巷道的支扩问题在煤矿生产中越来越突出。在很多矿井中，由于巷道断面缩小，严重影响工作面运输、通风，常常形成“ 爬行巷道”，从而威胁井下的安全生产，使得工作面机械生产能力不能充分发挥。而且回采巷道的多次返修还是造成煤炭企业亏损、采掘接替紧张的主要原因之一。

2.巷道的最佳掘进时间

在上区段工作面推进过程中，顶板运动的發展过程分两个阶段，显著运动阶段和相对稳定阶段。在显著运动阶段，上覆岩层支承力不断发展变化，造成采空区侧煤体支承压力的变化，煤体发生较大变形。如果在显著运动阶段掘进巷道，则巷道容易产生变形破坏，不利于巷道维护。当上区段采场老项触矸后，顶板运动处于相对稳定阶段，支承压力已经重新分布，煤体变形基本稳定。此时掘进巷道，则巷道不易变形破坏，易于维护。因此，上区段采场老顶触矸后顶板运动的相对稳定阶段为沿空掘巷的最佳时间。

3.巷道支护参数的选择

支护是巷道施工的一个重要环节，正确而又及时的支护，巷道掘进工作才能正常的进行。支护的工作量一般占巷道总成本的1/3～ 1/2，劳动强度大。因此选择合理的支护型式有着重要的意义。巷道支护参数的合理选择直接影响到巷道支护的经济效益并与巷道支护效果和安全生产有关。在巷道支护方案设计和井下巷道旌工中，一方面要求巷道支护参数的物理意义必须明确，能够直接指导支架的设计和巷道的施工。另一方面要求支护参数在设计和施工时，易于被现场广大工程技术人员掌握使用。

4.巷道支护形式的选择

在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术经济优越性。目前的巷道锚杆支护设计方法具体可归纳为三大类：工程类比法、理论计算法和以计算机数值模拟为基础的设计方法。

4.1工程类比法

工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在围岩条件、施工条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。这种方法不是简单照搬，而是首先搞清楚待建巷道的地质条件与围岩物理力学参数，科学的进行围岩分类的情况下，然后在针对不同的围岩类别，根据巷道生产地质条件确定锚杆支护参数。这是一种是实用的方法，在煤矿锚杆支护设计中占有主导地位。

实践证明，在工程条件接近时，采用工程类比法进行锚杆支护设计可能是十分有效的。然而由于煤层赋存条件千差万别，某一类别中尚存在各种不同情况，使用时必须参照多方面的经验加以应用。

4.2理论计算法

锚杆支护理论计算法利用悬吊理论、冒落拱理论以及其它各种力学方法，分析巷道围岩的应力与变形，进行锚杆支护设计，给出锚杆支护参数的解析解。

（1）按悬吊理论设计锚杆支护参数在层状岩层中开挖的巷道，顶板岩层的滑移与分离可能导致顶板的破碎直至冒落在节理裂隙发育的巷道中，松脱岩块的冒落可能造成对生产的威胁：在软弱岩层中开挖的巷道围岩破碎带内不稳定岩块在自重作用下了可能发生冒落。如果锚杆加固系统能够提供足够的支护阻力将松脱顶板或危岩悬吊在稳定岩层中，就能保证巷道围岩的稳定。

（2）冒落拱理论法。这种方法应用冒落拱分析围岩的松动区状态，认为锚杆支护的作用是防止松动破碎区的围岩垮落。设计用主要参数的获取靠经验法并结合一定的观测手段来实现。设计主要用于确定锚杆的间、排距。

4.3数值模拟分析法

经过几十年的发展，数值模拟分析法已在求解岩土工程问题中得到广泛的应用，并取得了巨大的成功，尽管仍存在不同的观点，但人们逐步认识到数值模拟分析是地下岩石工程设计和分析研究的重要手段。数值模拟方法是通过对结构系统构造数学模型，利用计算机求解大规模的代数联立方程组来模拟结构系统的反跌过程的。它们有其优点也有不足。

5. 复合支护方式

复合支护方式在实际应用中，相较于单一支护方式而言，可以结合实际情况将两种或两种以上支护方式整合在一起，充分发挥不同支护方式优势，提升围岩结构稳定性。当前煤矿掘进巷道支护中所选择的复合支护方式，以锚杆+锚索吊棚联合支护方式为主，相较于单一支护形式而言支护效果更为可观。但是，复合支护方式由于整合多种支护方式，劳动强度大，成本高，并且在具体支护中可能存在支护协调不畅问题，影响到支护效果。但是，在具体应用中可能出现渗漏问题，影响到巷道掘进作业活动顺利展开。所以，应该定期巡查审核，加强掘进作业活动全面监管，以便于及时解决问题予以处理。液压柱对巷道支护效果影响较大，可以替换液压柱，对巷道支护有效处理，提升巷道安全性。具体施工中，对于楼顶问题，促使单体液压支柱和柱子相结合，及时处理渗漏问题，提升巷道整体支护效果。

6. 煤矿掘进巷道支护中的问题和解决对策

在煤矿巷道掘进期间，应该综合分析支护参数，选择合理的支护方式，对于巷道支护过程中出现的问题寻求有效措施，促使煤矿巷道掘进活动高效进行。就当前煤矿掘进巷道支护中的问题来看，主要是由于受到施工扰动压力影响，巷道围岩结构稳定性和表面胶结力度较差，在一定程度上增加围岩破碎、变形几率。围岩变形和应力会导致巷道围岩破坏，单一支护方式无法满足作业需要，需要结合实际情况选择合理支护措施。

在这个过程中，需要严格控制巷道围岩应力分布，设计合理的掘进巷道形状，改善巷道围岩应力状态，降低巷道围岩变形几率。掘进巷道支护期间存在的问题，应该综合分析矿山地质数据，选择合理的巷道支护方式，并适当增加支护力度，有效约束和控制巷道表面应力，在提升围岩承载力同时，避免破碎带朝着纵深方向发展，提升围岩结构稳定性。与此同时，选择复合支护方式，保证围岩表面平滑，避免应力集中影响到掘进巷道支护效果。通过先进技术和工艺应用，巷道掘进支护技术不断推陈出新，支护效果和适应性进一步提升，有助于掘进支护活动灵活展开，促使煤矿巷道掘进活动顺利展开。

7.结论

在煤矿的建设中应根据矿井巷道的实际地质状况来确定巷道及硐室的支护形式。锚杆等支护形式的布置随围岩条件发生变化时，其支护参数也应做相应改变，特别在地质构造地带，可考虑增加锚杆、锚索数量或辅以其它支护方式，甚至更改支护方式。

参考文献

[1]李宸.煤矿掘进巷道锚杆支护方式的应用与分析[J/OL].当代化工研究，2019，23（03）：71-72.

[2]蒋传田.煤炭采矿工程巷道掘进和支护技术的应用分析[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2018，34（06）：153-154.