井下地质构造对巷道支护的影响分析

郭圣旗

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司凤凰山煤矿，山西 晋城 048000)

0 引言

在煤矿井下巷道的掘进作业中，会面临不同的地质构造类型，在遇到特殊的地质构造时，往往会给巷道支护作业带来极大的影响[1-3]。纵观所有地质的结构，褶皱可称之为井下最寻常的地质构造。在巷道整个掘进期间，会释放一定的能量，当释放的能量超出某个极限时，不仅会增加巷道的支护难度，而且会威胁到作业人员的生命安全[4-5]。一般情况下，在井下巷道的支护作业中，就算在较大区间内予以锚杆支护，也难免会出现变形。因此，相关工作人员必须认真地结合井下地质条件及构造特点，有针对性地采取巷道支护措施。

1 巷道支护的材料及类型

为了缓解并控制围岩移动，在煤矿生产作业中需要进行巷道支护作业，将巷道断面的缩小控制在可接受范围内，并通过阻止围岩移动的方式，增加巷道断面的缩小阻力。

1.1 巷道支护的材料

煤矿井下巷道的支护作业选择的材料主要从以往的型钢支护、木支护，逐渐转变为锚杆支护[6-7]。分析应用的效果及频率可知，锚杆支护最为经济、实用。锚杆支护既可更好地提升支护效果，又可节约支护应用的成本，降低劳动强度，为煤矿的安全生产提供有力的保障。

1.2 巷道支护的类型

锚杆支护：在我国很多的煤矿企业中，锚杆支护在井下巷道的使用最为常见，不仅能够改善巷道的布置形式，而且提升了煤矿的开采效率[8-9]。主要涉及的支护构件有锚杆杆体、锚杆托板、钢带等。锚杆一般用于抗剪、抗拉，托板可改善围岩的应力状态，具有阻止围岩变形的功能。网通常紧贴于巷道外表，具有一定的支护力，可预防围岩中的破碎岩块的垮落。

支护型钢：煤矿专用的支护型钢通常分为工字钢、U型钢两种。对于煤矿井下的巷道断面，支护型钢具有抗拉、抗压、抗剪的特点，因而获得广泛的应用[10]。由于煤矿井下的巷道经常面临十分复杂的工作环境，对支护型钢的要求极高。①支护架担负井下巷道掘进过程中产生的横向荷载力与竖向的推动力，且矿用的支护型钢其断面的集合参数设计又与截面的抵抗矩具有较大关系，截面的抵抗矩值与巷道支架的负荷承载力极为接近；②支护型钢的形状也会受到巷道支架压缩程度的制约。因此，在集合形状滑移时，需要保证支护型钢的科学受力，要求接触面的面积尽量扩大，便于滑移。

可缩性的支架支护：通常情况下，金属支架要在极限的承载力和实际的承载力两方面负荷承载力。①极限的承载力是指巷道的可缩性支架由于刚性产生的最大负荷承载力；对于煤矿巷道而言，支架的塑性变形程度往往决定了支架的极限承载力；②实际的承载力是指巷道在支架收缩期间，表现的负荷承载力，一般受到巷道支架承载力、连接件的影响；若煤矿的极限承载力与实际承载力差别较小，则表明巷道支架的可缩性状态良好。

2 地质构造的常见类型

2.1 小断层

在整个煤矿开采过程中，小断层是遇到的一种常见的井下地质构造类型，该地质构造对巷道的支护具有重要影响。发生小断层时，一般煤层顶板会发生位移，或者位移变化较大。在此期间，煤层厚度逐渐减小，尖灭现象日益明显。伴随着井下巷道的不断延深，煤层厚度也会逐渐增大，最后产生相关的地质现象。若在岩石层中间出现揉皱，则证明地质构造产生了一定的变化，这会对巷道的支护产生极大的影响。

2.2 复合顶板

在煤层的整个结构中，伪顶、直接顶及老顶为3种主要的顶板结构。同时，一般在煤层的顶板中经常存在多处的薄煤线。无论遇到的是什么类型的顶板结构，均会对直接顶与伪顶之间接触面带来影响。此外，复合顶板一般由煤线与薄岩层共同构成。若在复合顶板的整个结构中，加入相应的巷道支护，若未得到及时、有效地处理，一定会影响整体结构。因此，为了安全、有效地推进井下巷道的支护工程，必须充分地重视复合顶板的整个施工过程。

2.3 小褶皱

小褶皱最能体现巷道支护的现象。尤其在煤矿井下巷道支护工程中，小褶皱发展是很频繁的。在煤矿井下掘进、挖掘作业中，整个煤矿顶板的构造主要为挠曲构造，该构造规模往往很大，且内部形状难以找出规律，具有不规则的特点，最后会产生巷道围护煤矿层的变形，甚至在操作中极易引发冒顶事故。在煤矿井下掘进作业中，发生小褶皱一般情况下会严重地影响巷道的支护作业顺利地完成。对于煤矿巷道工作人员而言，一旦遇到小褶皱，必须要迅速地避开，同时，还要及时采取有效的安全措施，这样才能确保巷道支护作业。

3 地质构造对巷道的影响

3.1 构造应力对支护的影响

在地质构造对井下巷道支护工程的影响中，构造应力也是一个重要的影响因素。构造应力的产生可对巷道支护、掘进以及其他环节均产生不容忽视的影响。由于在巷道整个采掘作业中，特别易产生冒顶、片帮的问题，所以，不仅导致整个巷道的掘进过程很难向前推进，而且巷道的掘进很难成型。一般情况下，受到井下特殊地质构造的影响，巷道支护模式也会产生某种问题，极易发生锚杆或者锚索开裂的现象。在操作期间，两帮、顶板均可能产生剧烈的位移。尤其在受到构造应力、采动应力的作用影响下，井下巷道操作难度会进一步加大。若此时未对支护参数予以全方位、合理的设置，则支护的应力场会难以维持。工作人员未及时采取有效的保护措施，巷道自身的变形会日趋严重，最后会引发巷道对地压的冲击，甚至损毁，导致安全事故的发生。所以，在分析井下地质构造特点对巷道支护的影响时，最关键的是考虑构造应力对巷道带来的影响。

3.2 实例分析

工程概况：XV1306进风巷施工结束后，主要作为综采工作面的进风以及运煤来使用。巷道的设计长度：该进风巷的巷道总长为629.637 m，分两个施工阶段。①第一阶段—施工的总长为393.144 m，从进风的联络巷，向西掘进，一直施工到掘进位，其掘进的方位角是275°30′56″；②第二阶段—施工的总长为236.493 m，从进风联络巷，向东掘进，一直施工到掘进位，掘进的方位角是95°30′56″。在巷道向前掘进中，需要在巷道的沿途，掘进绞车硐、探放水钻场、水仓等。

施工断面：巷道的断面都是矩形断面。5.0 m的断面毛高为2.6 m，净高为2.5 m；毛宽为5.2 m，净宽为5.0 m；断面毛面积为13.52 m2，断面净面积为12.50 m2。4.3 m的断面毛高为2.6 m，净高为2.5 m；毛宽为4.5 m，净宽为4.3 m；断面毛面积为11.70 m2，断面净面积为10.75 m2。

支护方案：采用高预应力的支护方案，图1为巷道支护布设图。顶部的锚杆为长度2 400 mm，直径22 mm的左旋螺纹钢锚杆，拉断力极限为260 kN，延伸率为20%；帮锚杆为长度2 000 mm，直径为20 mm的左旋螺纹钢锚杆，拉断力极限为200 kN，延伸率20%。以树脂对锚固进行加长，预紧力矩设为400 N·m，各锚杆的排距为1 000 mm×1 000 mm。锚索选择长度为7 300 mm，直径17.8 mm的钢绞丝，预紧力是180 kN。另外，顶板为W型的钢带，帮部选W型的钢护板予以辅助防护。

图1 巷道支护布设图

支护效果：应用位移观测仪器，观测巷道两帮与顶底板产生的位移(图2)，原支护的顶板下沉量为400 mm，两帮的移近量420 mm。采取高预应力的支护模式后，巷道围岩的移动变形现象明显减小，顶板下沉量小于70 mm，两帮的移近量小于100 mm，分别为传统支护模式下巷道移动变形量的80%、75%，有效证明了该支护方式的优越性。

3.3 注意事项

图2 新支护使用前后的支护效果对比图

正断层的掘进：在煤矿掘进作业中，当断层在工作人员视线中出现时，若煤层的顶板忽然存在上升的趋势，然后冒顶。或者在整个掘进期间，突然出现断层，而煤层的顶板忽然呈下降的趋势，这时，工作人员必须要注意准备过断层。若需继续向前掘进，特别要注意预防冒进或别的风险。此外，在过断层时，应有效地使用带网的支护，如有需要，予以注浆加固处理，从而避免在支护时产生塌方事故。

顶板挠曲的构造：万一遇到井下的挠曲构造，应对其构造特点展开全方位地观察，再全面地采取有效的预防措施。若在整体过程中，煤层的倾斜角不断增大，就应采取锚索钻机，对煤层顶部的状况进行全面地探查，在此前提下，予以加密支护。

4 结语

为了确保井下煤矿开采作业更为安全、高效，煤矿企业的管理者及工作人员必须对地质构造对巷道产生的影响保持高度的重视，相关工作人员必须充分地做好巷道支护。在遇到褶皱、断层、复合顶板的状况时，一定要进行科学、合理的设计。同时，煤矿管理者也要加强对地质构造的有效勘察、分析与管理，为煤矿生产创造安全、可靠的操作环境。