大断面支护方式浅析

◎鲁尚军 马立功

随着煤矿行业的迅猛发展，各种先进的生产工艺与煤矿生产完美结合，使煤矿产能进一步被开发，建设千万吨大矿早已不是梦想，各种大型机械设备在煤矿的应用越来越广泛，但同时也会面临一些困难：大型机械设备需要更大的安装使用空间，在掘进施工过程中，大断面巷道的施工工艺以及支护方式将会是所有大型矿井面临的问题，是急于解决的问题，施工工艺及支护方式已被高度重视。

根据晓南矿煤矿实际情况，以断面积在20㎡以上的断面界定为大断面。根据地质条件不同，大断面巷道的施工工艺及支护方式也会不同，结合晓南矿的复杂地质条件，对采煤工作面切眼大断面巷道的施工工艺、支护方式进行探讨和分析，对其他地质条件的大断面巷道施工方法提供理论依据及实践指导。

一、巷道破坏形态及分析

锚杆支护巷道变形破坏的过程如下：顶板整体稳定性遭到掘进破坏而离层弯曲，金属网下垂形成掉包；两帮在顶板岩层挤压下发生变形、片帮，上部锚网控制区内挤压成凸形，下部煤岩壁片帮，锚杆失效；底板自由变形，底鼓现象普遍，巷道总体空间收敛，最终造成巷道变形破坏。压力显现明显的主要原因：支护参数设计不当，巷道成形质量及支护质量差是锚网支护巷道变形破坏的关键所在。

1.主要原因有：

（1）巷道成形质量差。

巷道成形不均，凹凸不平，承压不均匀，造成局部地段压力集中，使设计支护强度不能承担顶板压力，造成掉包、变形，最终破坏。

（2）支护质量差。

锚杆托盘紧固不及时，端头锚固的锚杆支护方式就是依靠托盘提供锚固力的，根据树脂药卷特性，要求药卷在凝固后3至5分钟，就要立即对锚杆进行预紧，预紧不及时，就会导致巷道受力在平衡的过程中随围岩的蠕动变形被自然“预紧”，致使初始围岩运动不受限制，层间结构强度大大减弱，围岩松动圈进一步扩大，为巷道变形破坏提供了条件。

（3）锚杆支护设计不合理。

锚杆支护设计一般按照经验类比法进行设计，缺乏理论依据，尤其在大断面巷道的施工过程中，一方面缺少断面类比数据及经验，另一方面经验类比法也不可靠，类比法虽能满足部分巷道对支护强度的要求，但更多情况下是强度过大造成隐形浪费，或强度不够造成巷道破坏。

2.采取的措施：

（1）采用综掘工艺施工巷道，与爆破施工工艺比较，更具安全性，且在巷道成形及对围岩的破坏方面更有优势。

（2）确保施工质量，尤其在锚杆预紧及锚杆间排距、巷道成型方面。

（3）采用更科学的锚杆支护设计方法，依靠先进的支护理论设计巷道支护用的锚杆长度、间排距等，是支护设计更科学，更可靠，且能提高施工进度，节支降耗。

二、断面设计

巷道断面及其尺寸是巷道断面设计的主要参数，是巷道掘进施工与支护的依据，我国煤矿巷道的断面形状常选用矩形、梯形、直墙圆拱形断面，其合理与否直接影响到煤矿生产的安全和经济效果。本论文以铁法煤业集团晓南煤矿北一1501切眼工作面为例进行探讨研究。

1.巷道尺寸的确定。

由于切眼设计要满足回采准备期间三机和液压支架安装条件，经设备选型后，将巷道掘进断面确定为高3000mm，掘进宽度7000mm。从用途方面考虑，矩形断面可满足需要。

2.从断面形状受力方面考虑。

先从矩形断面、半圆拱形断面的受力情况做一比较：

（1）矩形断面巷道中，顶板简化为两边固定、受均匀分布载荷的压力，该断面巷道顶板受巷帮岩体的支撑作用，给岩体的反作用力并非是均匀分布的。即巷道帮部作为支点，帮部承担顶帮交接处的压力，该处顶板不承压，顶板中顶处压力集中，从现场观察，也是中顶处顶板最先变形、甚至破坏，也就是说矩形断面并不能把压力均匀分布，而是造成压力集中，容易发生冒顶事故，且帮部较高，巷高小于2m时还能支撑，如果换做巷高达到5.2m的大断面，帮部太高，极易造成偏帮，发生事故。

（2）分析拱形断面受力，顶板处围岩给顶板施加的压力仍然是均匀分布的。该断面由于顶板成半圆形，顶板作用给围岩的作用力方向是与巷道设计轮廓线切线垂直，通过半圆周反作用力的合力，与顶板压力达到平衡。

三、支护设计

煤矿进行巷道支护是为了使巷道围岩进行稳定的一种措施，用支护的方式防止围岩发生运动甚至坍塌，提高围岩自身的支持能力，从而来维护正常的工作。在对巷道进行支护时，选择的材料支护方式很多，有木质支架、金属支架以及锚杆支护等，最初是使用木质支架进行巷道支护的，但是由于井下环境潮湿，木质材料长时间易于变质腐烂，造成支护效果差。金属支架运输困难，成本高，施工难度大。锚杆支护方式工艺简单，支护效果好，成本低，所以将支护方式确定为锚网索喷支护。

四、实践及结论

将晓南煤矿北一1501切眼工作面的大断面作为实验对象。该断面掘进高度3000mm，掘进宽度7000mm，掘进断面积21m3。在施工该大断面巷道时，要提前探明顶板岩性，选择顶板稳定、岩性整体性好的地段施工，更能保证巷道在施工、使用时的效果。

根据具体情况及理论计算，最终选定锚杆长度为2200mm，间排距为800×900mm，锚索长度5200mm，锚索直径Φ21.6，间排距为1800×1800mm。

在该条件下按照该方法施工，北一1501切眼工作面的大断面在施工过程中顶板稳定，未发生片帮及冒顶事故，且整个安装过程中，顶板情况依然良好，无明显下沉现象综采工作面回采期间，在巷道内架木垛加强支护，使该断面顺利回采，最终达到施工、使用、回撤均顺利、安全。

五、总结

在煤矿设备大型化的趋势下，大断面巷道的掘进施工、使用效果及回采安全均已成为必须面临和解决的困难，本文从理论上分析计算，在晓南煤矿北一1501切眼工作面进行了实践，取得了良好效果，但煤矿顶板冒落的本质机理十分复杂，理论传统的计算与实际情况存在差别，不同地质条件下的大断面将面临哪些不同的问题，还有待进一步研究。