煤矿井下巷道掘进顶板支护技术的应用

为了确保高效开展井下巷道掘进工作，就需要先进挖掘设备与科学的掘进方式，对巷道的顶板支护也需要采取合理的措施。目前，煤矿井下巷道为掘进做的顶板支护方式中，最主要是支护方式的稳定性与牢固性，由于支护是用来避免基层顶岩层出现下沉与离层，确保基本顶的稳固性和整体性，在提高基本顶强度的同时，保证煤矿工人的施工安全。

1 煤矿井下掘进巷道支护的三种形式

1.1 预留柱支护形式

传统预留柱支护方式在井下开采工作中是最常使用的。在上下区段中间先预留出一定的宽度，即预留柱支护方式，这样做的好处是可以使风平巷避开支撑压力峰值区域，从而做到对顶板实施支护作用。这种支护方式虽然是最简单的，也能满足巷道支护的所有要求。但是这种支护方式所需的成本较大，因此在维护上还有很大的难度，正逐渐被其他支付方式所取代。

1.2 可缩性支架形式

可缩性支架是一种金属类的支架，使用这种类型的支架来承受对应的承载能力就是在实际收缩中所体现出来的荷载能力。通过有关调查分析发现，对这种荷载能力影响的因素有很多种，其中整体支架与连接件在结构上的状况及工作情况。可缩性支架能够承受的最大压力为这种支架的最高承受力，对于如何判断支架的承受能力，取决于支架本身的塑性变形能不能够发生。在一般情况下，最大承载力与实际承载力是不相同的，在对相差数值大小进行观察后，对可缩性支架的状态如何就可以掌握，同样对相差数值也可以进行正确的评估，如相差数值越小，代表可缩性支架的形态就越优良；反之，相差的数值越大，表明可缩性支架的形态就越差，可见，二者之间呈现反比例关系。因此，可缩性支架中的良好状态就是实际与极限荷载能力数值相接近，最好二者完全相同。

1.3 矿用支护型钢形式

在对井下巷道掘进开采安置顶板支护的过程中，通常使用LT型或工字型矿用支护型钢。无论选择哪种型钢作为支护用型钢，其最主要的是对韧性抗拉性能的选择。这就应对巷道内的支架从横向的承重能力与纵向推动力都进行考虑，所以，这就需要支架既能承载横向的压力，也能承担纵向在方向上的负荷。还有在井下巷道使用支护架型钢时，必须将支架自身存在的可缩性都考虑进去。因此，矿用支护型钢集合形状应在考虑锁紧与滑移中，达到支护型刚接触面积最大要求。

2 影响煤矿井下巷道掘进顶板支护稳定性的因素

2.1 施工工艺的影响

在煤矿井下巷道掘进过程中，钻爆法掘进是其主要的方式，顶板支护中配合锚喷支护，与以前的砌喧支护技术对比，这种方法不但保证了挖掘速度，而且也提高巷道稳定性，在具体实施中，影响锚网喷支护质量有很多方面，如：装填火药的数量、炮眼位置等，若是施工人员计算有误，井下事故很容易爆发。同时，由于煤矿的内部矿道分布都比较集中，在进行采煤的过程中，两条相邻的矿道同时进行采煤操作时会对岩体的盈利与平衡都有所影响，会对工作面的应力造成叠加，这就造成了顶板支护工作中的很多问题。

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2.2 煤矿井下地质环境的影响

对巷道顶板支护作用的有效性与稳固性有影响的不单单是煤矿节理和层理发育状况，还有巷道围岩褶曲的构造。在煤矿的地质情况极好的情况下，可以少使用一些支架在巷道内，这样对采煤的速度可以大大提高，同样，地质条件复杂的巷道内，对顶板支架的安置就需要增多，这样也会使得采煤的速度相对减慢，这也是为了保障井下工人的人身安全。由于煤矿的井下环境及地质条件较为复杂，以至于煤矿井下顶板塌方事件多有发生，根据相关资料，我国由于顶板引起的煤矿事故在每年的煤矿事故中占到约80%，降低了我国煤矿生产效率，也威胁着我国煤矿工人的生命安全[1-3]。

3 煤矿井下巷道掘进顶板支护控制技术的完善

3.1 加强巷道顶板的承载能力

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图1 老顶岩层断裂后侧向支承压力分布示意

通过侧向支撑压力的分布规律可以看出，如取B点作为掘巷点，那么巷道就处在支撑压力的最高点，就会对围岩造成过强的压力，在维护上就会出现很多的不方便之处；如果将A点设为掘巷地点，有利于对原岩应力区的维护，可是这样大的煤柱会造成很大的资源浪费。如果从C点的小煤柱进行掘巷，那么处于侧向支撑压力最高值附近巷道的实体煤侧，就会由于压力过大而产生严重变形，并且会使得空侧煤柱由于破碎失去支撑能力，这不仅将巷道的跨度增宽，还会使巷道的压力加大，导致无法完成对巷道的维护；选择D点进行完全沿空掘巷，本身巷道位置就是内应力场，巷道围岩压力相对较少，便于维护，最大程度地完成回采煤，但是，由于另一侧已经采空，就需要将防护工作做好，以防止有毒有害气体由于漏风的原因溢入巷道，所以对采空区就应该采取注浆防火密闭工作。为了降低掘进时冲击危险性，选择将区段煤柱取消，因此，D点作为巷道位置是最为理想的选择。由于破裂区已卸载了内应力，那么巷道沿着破裂带进行挖掘，在侧向的覆岩会对其起到保护作用，这就是内应力场，直接顶以及部分破碎老顶的重量就是巷道需要的支撑压力，这使得巷道压力相对较少，便于后期维护，其次，必须做好对巷道内的密闭工作以及防火工作。

巷道掘进施工技术准备工作包括：①结合井下矿压观测得来的资料和具体地质构造状况，选择与井下巷道现场施工相符的支护方式。在此基础上，对于在巷道内重点施工区域，应制定出完善的安全技术方案进行实施。②在设计井下巷道挖进顶板支护施工中，逐一完善材料数量和尺寸及支护顶板方式、临时支护形式等，对掘进作业规程进行严格控制。围岩最开始的承受能力与平衡情况在挖掘巷道时已经遭到了破坏，更何况还有回采工作的配合，这就会导致上覆岩层产生运动，使岩层的应力进行了重新的分布。伴随着采煤量的逐步扩大，工作面的大力推进，会使顶板随着工作面前后方向及侧向支撑压力在分布上有一定规律性的改变，只有将这些全部计算出来和全面掌握了，才能正确地对巷道开挖的时间及具体位置进行掌握。在进行开掘时，上一区段工作面的顶板停止运动后选择普通的巷道，这时在侧方向的顶板已经停止运动，老顶也已经触矸，再继续挖掘不会影响顶板结构的形成。通过对侧向支承压力规律进行实际测量得出，普通的侧向支撑压力大约会在2个月之后完全稳定，位置为工作面的后方大约50 m以外，这就要求沿空掘巷的时间必须高于这个值。第二种关键技术就是对巷道开掘位置的掌握。巷道可开掘的位置共有A、B、C、D四处：D点为完全沿空掘巷的位置;C点是沿空掘巷留有小煤柱的位置；B和A点是大煤柱及有煤柱互巷的位置(如图1所示)。

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3.2 加强支架强度，解决巷道位移与变形问题

在初掘井下巷道过程中，巷道位置移动和变形情况经常出现。因此，在顶板支护方式选择中，尽量选取具有柔性的支护方式，具有较强刚性的支护结构，有助于保持巷道空间有效性和完整性，并预防大规模及大面积的重修工作。对围岩还需要进行让压与释压方面的工作，能增加巷道的强度，在压力的承受范围内，可以允许围岩有轻度的变形，进而释放围岩压力，这样才能更好地使顶板起到支护作用。

3.3 加大设备使用效率，完善掘进施工工艺

将先进的巷道掘进技术与科学的施工技术相结合：①在地质及基础条件都相对较好的巷道中进行施工时，对于掘进技术的选择应该是破岩水平高、中心位置比较低，机器相对较矮的综合化掘进技术。这种掘进施工技术通常使用悬臂式掘进机、单体锚杆钻机等这类设备进行组合使用，这种配合在生产力方面是很强悍的，并且符合地质条件及生产条件。使用这种掘进技术可配以液压马达共同使用，还可以直接将装载机构进行驱动，通过液压系统和自动化加油装置会提高其稳定性与可靠性。联合使用PLC这种类型的电气系统控制技术，对施工故障进行检测。②当断层面积较大时，就需要使用连续性掘进技术进行施工。对于多巷道的施工，需要使用挖掘技术进行施工。将快速掘进技术充分应用到掘进井下巷道进行施工，对于回风巷道可以利用锚杆钻车进行支护，这样相互配合交叉作业就能够顺利完成巷道支护。对于设备的选择与使用，必须配合井下巷道挖掘和顶板的支护，并且使用一些可以伸缩的支架进行支护，如锚索或锚网，结合专业的机械化操作进行施工。另外，对于断面小的施工区域，凿岩车使用自动化操作得以实现。在进行操作的过程中，对断面大的地段首先应该考虑使用综掘机和盾构机，这样能提高整体施工质量，达到一次成巷的具体要求。③在实际使用设备中，应定期检测设备，应及时检修不能正常运行的设备，以确保煤矿井下工作的顺利进行。

综上所述，合理使用有效的顶板支护技术就能够减少巷道变形或者位移的情况，同时还能保证煤矿工人的施工安全，进而促使煤矿企业获得更多的经济和社会利益。另外，在煤矿井下巷道掘进顶板支护技术应用中还有很多不足，想要进一步提高此项技术的应用价值，需要我国有关人员对其进行深入研究，总结其在应用中出现的问题，对此项技术进行不断完善。

参考文献:

[1] 赵小屯,连国明.预留小煤柱沿空掘巷支护技术研究[J].能源技术与管理,2012(6)：73-76.

[2] 李国留.煤矿掘进工作面顶板事故分析与防治[J].中外企业家,2012(7)：162-163.

[3] 翟党帅.井下巷道掘进时的顶板管理研究[J].科技资讯,2012(2)：167.