煤矿巷道掘进顶板支护研究

＊闫志恒

（晋能控股集团圣厚源煤业有限公司 山西 037000）

引言

煤矿巷道掘进顶板支护架设质量可直接决定矿井安全性，为良好应对不同地质结构、水文情况，相关工作人员需掌握各类煤矿巷道掘进顶板支护手段，根据煤矿实际情况制定顶板支护方案，以此保障巷道掘进顶板支护质量，避免顶板漏水、顶板冒落等问题的出现。

1.煤矿巷道掘进实例概况

(1)工程概况

圣厚源煤业矿区生产能力为90wt/a，矿内共有4-1、4-2、8、9-1、9-2、11号煤层，经兼并重组后，原4号煤层为现在的4-1、4-2号煤层，原9号煤层，现为9-1、9-2号煤层。煤矿开拓方式为斜井开拓，主要服务于4、8、9、11号煤层，煤层开采由上至下进行，同时采煤方法为综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。该矿区顶板岩性以泥岩为主，其中4-2号煤层顶板岩性为泥岩、粉砂岩，11号煤层顶板岩性为泥灰岩，其余均为泥岩。

(2)重难点分析

煤矿巷道存在积水区，根据煤矿整体结构进行预估后发现，4-1、4-2、8、9-1、9-2、11号煤层顶板存在顶板导水裂隙隐患，同时对矿井未来5年涌水量展开预估，最终判断该煤矿存在水隐患，因此在巷道掘进作业期间，需结合煤矿地质结构及巷道情况加强顶板支护架设，提高顶板结构稳定性。圣厚源煤业矿区是在原有小煤矿基础上改扩建而成，存在老巷，在巷道掘进及煤矿开采时，易对煤矿安全生产作业造成威胁，因此需探明老巷密闭情况，做好顶板支护工作。走向、倾向、倾角等地层产状要素为布置巷道的依据，其可对巷道掘进产生一定影响，在实际生产作业中，需特别注意煤矿内倾角变化大的地层，在煤层开采及巷道掘进时，需科学严谨地开展顶板支护架设工作。

2.煤矿巷道掘进中的顶板支护形式

(1)锚杆锚索支护

矿用锚杆支护以及锚索支护本质上属于统一整体，两者联合应用条件下可以充分发挥出有效的支护作用。实施该种支护处理的主要优势便是能够承载更大的压力。具体表现是连接锚杆更加深入的承载框架和支护系统，顺利构成统一整体，提升支护结构完整性，同时还可以进一步提升基础岩体综合承载水平。锚索支护在实际应用中能够进行连续用力，全面优化连续面综合抗剪强度，提升围岩支护效果。

锚索支护主要利用钢带、金属连接网以及锚索等部件实施有效拼接，作为一种常用支撑方法，此种支护方法需要和锚杆技术搭配应用，广泛应用于煤矿井下挖掘施工，也是煤矿井下巷道挖掘支护工程中应用次数较多的技术，经过不断的发展和完善，相关支护技术也越加成熟。结束施工中，通过混凝土实施彻底密封，外观造型较好。所以在对相关支护技术进行推广应用中，需要重点做好下列工作，第一是合理设计地质研究报告，对井下巷道板性质进行重点分析，结合验收破碎程度以及岩石稳定性对巷道板性质进行合理分析，结合岩石破碎程度和稳定性对巷道板进行系统分析，联系岩石破碎程度以及岩体稳定性对相关参数进行准确计算。如果围岩较为坚固，则可以按照两排锚杆为标准，打入两个锚索。假如巷道围岩存在稳定性不足的问题，以一排锚杆为间隔，按照2-1-2的顺序设置锚索，提升支护对顶板抓力。第二是针对工程现场实施全面监督和指导。第三是抓好工程质量，促进实现标准化施工建设。第四是针对煤矿压力进行全面监测，工作面挖掘采集过程中会影响整个巷道的支护水平，为此需要进一步联系一次二次采动状况，针对围岩采取有效的加固支护处理措施，比如针对邻近掘进面实施加固中，应该减少扰动过大所形成的施工影响。第五是针对特殊区域需要选择设置适合的支护方法，主要优势是能够承担更大压力。发挥出巷道应有的支护效果。在正式施工前需要准确把握巷道地质构造，对岩石承重水平和岩石性质进行科学分析。如此才能充分发挥出支护架构的功能作用。借助深层次支护体系形成统一整体，优化整体支撑效果。

锚杆锚索支护为煤矿巷道掘进期间广为应用的形式，为圣厚源煤业矿区巷道顶板支护主要形式。锚杆支护由钢带、锚杆杆体、支护网、托板等构件组成，可良好支撑矿井巷道，且锚杆支护具有较强抗剪性能及抗拉性能。在上述主要构件中，托板所发挥出的效果最为关键，当巷道压力传递至顶板岩层时，锚杆支护托板可避免顶板岩层脱离问题的产生，继而防止结构面滑动、岩层节理裂缝舒张等问题。除此之外，还可在矿井巷道顶板表面设置支护网，可避免因顶板岩层碎石散落造成的安全事故，极大提高巷道掘进及煤矿开采安全性。锚杆锚索支护可为顶板岩层施加支撑力，提升顶板岩层整体强度，可良好应对巷道掘进期间产生的压力，防止裂缝问题的产生，继而起到防止巷道变形的作用。图1为煤矿巷道顶板锚杆支护示意图，根据图1不难看出，锚杆支护的支撑原理为组合拱原理，当锚杆插入拱形巷道时，此时所接受到的压力应力呈圆锥形分布，可通过合理设置锚杆支护距离，使锚杆支护间产生连锁效应，使巷道顶板岩层形成连续的结合弧，以此良好应对巷道压力[1]。锚杆支护可使顶板岩层与锚杆产生共同作用，改变煤矿巷道顶板岩层机械状态，以此提升顶板稳定性。

图1 煤矿巷道顶板锚杆支护示意图

(2)矿用支护型钢

矿用支护型钢主要分为工字钢、U型钢两种方式，其中工字钢具有负荷能力强、韧性高的特征，而U型钢支护多应用在椭圆形、拱形、圆形的高稳定性巷道内。两种矿用支护型钢均具有较强抗剪性、抗压性、抗拉性，因此在地势相对复杂、环境相对恶劣的煤矿巷道中应用较为广泛。矿用支护型钢对巷道受力状况、滑移程度、接触面积具有较高要求，这就导致矿用支护型钢在巷道掘进顶板作业中存在一定使用限制。

(3)可伸缩性支架

可伸缩性支架为金属支架，而金属支架本身承载负荷力由极限承载能力、实际承载能力构成，在金属支架收缩期间主要表现为实际承载能力，此时该实际承载能力大小取决于器件连接情况及支架整体结构；极限承载能力可对可伸缩性支架可塑性产生影响，因此在实际使用期间，需明确可伸缩性支架极限承载能力与实际承载能力间的差异，判断可伸缩性支架最佳使用状态，以此确保可伸缩性支架可在巷道内起到支撑顶板的效果[2]。

(4)预留煤柱支护

预留煤柱支护为传统形式之一，主要在煤矿回风平巷、运输平巷间预留煤柱，使回风平巷规避最大支撑压力，该方式具有排水便捷、操作简单、通风效果优异的优势，因此在当前煤矿巷道顶板支护作业中仍应用广泛。预留煤柱支护存在一定缺陷，如成本高，若煤柱损失过多，将使巷道掘进及维护工作难度提升，同时，若煤柱支撑压力传送至底部，可能对巷道整体稳定性产生干扰，不利于巷道掘进及煤矿开采作业的推进。在圣厚源煤业矿区中，部分区域选用顶板预留煤柱支护形式，对含水层加以控制，起到防水效果。

3.强化煤矿巷道掘进顶板支护稳定性的方法

(1)落实安全管理

想要进一步提升煤矿巷道掘进顶板支护的安全性和稳定性，保障顶板的承载水平和支护能力，需要在巷道掘进中进行合理支护，支护过程需要以全面、详细的支护方案作为基础参考，合理制定支护步骤和支护措施，同时提前准备好各种支护材料和支护工具，保障支护动作的顺利实施，保障支护结构稳定性和可靠性。煤矿井下挖掘巷道过程中，因为会受到各种外部因素影响，导致支护性能下降，最终造成塌方现象，为此需要形成严格、细致的安全管理措施，进一步强化技术安全管理和监督工作。创建完善的安全管理制度，为进一步改善支护效率，提升支护安全性奠定良好制度基础。为此需要形成完善的控制机制和质量检查机制。井下技术人员在施工建设中应该严格遵守相关制度规定，保证能够第一时间发现各种问题并进行有效处理，优化井下施工环境。联系现场状况，合理选择支护方法和支护形式，优化支护效果。首先，强化煤矿巷道掘进顶板支护管理工作，将顶板管理隐患编制为书面报告，引起相关领导者的注意，明确巷道掘进顶板支护相关岗位职责，将责任落实到个人，合理配置专业技术人员，健全巷道掘进顶板支护相关规章制度。其次，增强矿井地质勘探工作，注重监测巷道压力，在巷道掘进与顶板支护管理期间，明确矿压显现规律、煤矿物力学参数、顶底板岩性、煤层赋存状况、地质构造等信息数据，做好地质预测工作，以此加强对巷道顶板的管理。最后，根据煤矿实际情况选择顶板支护形式，在本次圣厚源煤业矿区中，锚杆支护形式应用最为广泛，在锚杆支护应用期间，需加强对顶板锚杆支护的监督监测，检查锚杆支护喷层厚度、锚索材质、锚杆材质、拉力、预紧力等数据参数是否符合作业规程，同时，加强对巷道顶板移近量的监测，避免顶板支护在巷道掘进期间出现质量问题，以此避免巷道冒落、漏水等问题的产生。

(2)重视安全宣传

为确保巷道掘进顶板支护作业落到实处，需重视煤矿安全宣传工作，提升作业人员对安全管理工作的关注。在安全意识宣传期间，需将煤矿巷道掘进顶板支护技术操作及注意事项纳入宣传内容中，定期组织安全知识培训，使煤矿井下作业人员熟悉掌握煤矿巷道掘进危险应对情况及顶板支护稳固技巧，培养安全意识，提升井下作业人员安全技能。

(3)规范巷道布局

在先进技术驱动下，我国煤矿产业发展迅速，但在回风巷、运输巷等煤矿巷道安排设置上仍有待提升。为确保巷道掘进顶板支护结构稳定性，需结合煤矿实际情况合理设置巷道布局，将巷道压力、含水层、瓦斯等因素考虑在内，科学设置巷道位置，避免由煤矿采空区压力聚集造成安全事故。回风巷、运输巷通常设置于煤矿采空区两侧，为防止其对煤矿作业产生干扰，需确保回风巷、运输巷与煤矿采空区存在5m距离，且需与采空区两侧存在10～15m距离，且需设置一定高度差，即回风巷、运输巷不可处于同一水平线。煤矿巷道的设置需避开断层，需确保巷道与断层间存在8～15mm距离，在掘进作业中，需检测煤矿巷道30m范围内是否存在断层，避免因巷道设置不科学引发安全事故，并对巷道掘进顶板支护施工产生阻碍。

(4)定期更新设备

煤矿巷道掘进施工中，需要联系工程中的各种影响因素进行综合考虑，积极引入各种新型设备和技术工艺，促进施工技术全面创新，提升支护施工的自动化处理水平，借助先进的机械设备，优化整体施工效果。为保障掘进巷道顶板支护稳定性，在煤矿生产作业中切实发挥出其支撑效果，需定时更新相关设备，依据煤矿实际情况选择适宜型号规格支护设备。现阶段已出现智能监测掘进支护设备，可在煤矿巷道掘进期间随时监测顶板岩层情况，并通过设备电子显示屏实时观察锚杆、锚索预紧力，若数据参数出现异常，可及时发现并调节，控制顶板冒落、漏水等安全隐患。该智能设备的应用使巷道顶板支护稳定性进一步增强，并降低了劳动强度，效果显著，在煤矿作业期间，需结合实际预算情况合理引进。

(5)做好工艺改进

圣厚源煤业矿区中锚杆支护方式应用最为广泛，在实施工期间选用大功率、高效锚杆钻机，降低巷道掘进期间的人员劳动强度，提升作业效率。支护材料需以巷道压力为依据，进行合理选择。在圣厚源煤业矿区中，存在巷道局部压力过大的情况，对于该区域，以钢筋网为材料，对顶板岩层进行加固，而对于巷道压力一般的顶板区域，采用高分子铁丝网进行顶板加固即可；锚杆选取时，同样需考虑巷道应力，圣厚源煤业矿区巷道局部压力过大区域内，选用高强度锚杆，而普通应力区应用快硬水泥锚杆即可。除优化材料选择外，还可以1.5m为间隔设置两排支护排距，其中一排位于两个钢带间，实现交替支护，另一排与钢带两端存在1.5m垂直距离，运用锚索在钢带孔处加以固定，该方式提升了支护结构稳定性，经验证后效果优异。

(6)加强现场监测

加强对煤矿巷道掘进过程的监督，判断顶板支护状态。在实际现场监测期间，需明确巷道围岩位移量，如巷道两侧相对位移、顶板相对位移、顶板下沉量，此外，还需监测顶板锚杆支护的锚固力、巷道顶板离层状况、锚杆受力状态等，以此判断顶板支护是否可良好支撑巷道顶板。顶板稳定性在一定程度上决定了煤矿开采及巷道掘进的安全性，在作业期间，需对顶板岩层稳定性展开实时监测，并将监测重点放在矿井环境恶劣、局部稳定不佳的区域。监测期间需对信息参数详细记录，并结合顶板支护情况给出评价反馈，重点在巷道交叉处、巷道口处设置观测断面，观测点安装在距离地面2m以内，确保及时监测巷道掘进时的力学形态变化及巷道顶板岩层变化，为确保监测效果，需合理设置测量频率，例如：50m内的巷道掘进工作面每日测量一次；50m外的巷道掘进工作面两日测量一次，此外，还可将巷道掘进位移速度作为测量依据，合理设置测量频率，确保可及时掌握巷道掘进情况，判断顶板支护是否可起到良好支撑效果，若于现场监测期间发现安全隐患，需及时对顶板及支护结构进行加固，遏制安全事故的发生。

在针对巷道掘进支护施工实施全面监测过程中，需要严格按照标准原则实施监测工作，因为围岩部位的稳定性会对煤矿的开采、施工安全性产生直接影响，为此需要针对岩石周围稳定性状态实施合理监测，同时把管理监测重点放到井下施工中存在安全隐患的部位。针对井下分叉以及洞口等特殊工程部位需要科学设置观测断面。在安装观测点过程中尽量拉近和地面之间的距离，尽量把距离控制在离地面两米左右最佳。主要目的是在巷道挖掘工程开始后能够对巷道围岩具体形变波动以及巷道前期力学变化进行实时监控，相关数据监测对于确定围岩稳定性具有重要作用。

4.结束语

综上所述，在圣厚源煤业矿区巷道掘进期间，意识到了顶板支护对煤矿开采掘进作业的重要性，在该案例中，主要应用锚杆支护方式，对巷道掘进顶板进行固定，为进一步强化煤矿巷道掘进顶板支护质量，总结该次实例经验。在巷道掘进顶板支护作业中，需落实安全管理，重视安全宣传，规范巷道布局，定期更新设备，做好工艺改进，加强现场监测，以此全方位提升顶板支护稳定性。