煤矿井下巷道掘进顶板支护技术探析

＊杨 超

（山西省长治市潞安集团古城煤矿 山西 046100）

前言

在煤矿井下巷道掘进的过程中，生产应力会逐渐发生变化，如若不采取相应的解决措施，井下围岩就有可能出现变形、位移等问题，从而对井下工作效率、安全性、稳定性造成一定影响。为确保煤矿井下巷道掘进工作的效率以及质量，不仅要选取合适的掘进技术、设备，同时也要采取矿用型钢支护、预留煤柱支护、支架支护等措施，但无论何种支护方式，都要确保支护结构的稳定性，以此来应对井下围岩过度收敛、下沉等问题。

1.煤矿井下巷道掘进支护方式

(1)矿用型钢支护

目前，我国矿用型钢支护形式多用于圆形巷道、半圆形巷道、椭圆形巷道，采用的型钢主要为工字型钢以及U型钢。矿用型钢的规格主要为18UY理论重量为18.96kg/m；25UY理论重量为24.76kg/m；25U理论重量为24.95kg/m；29U理论重量为29.00kg/m；26U理论重量为35.87kg/m；40U理论重量为40.05kg/m。工型钢的规格主要为：9#理论重量为17.69kg/m；11#理论重量为26.05kg/m；12#理论重量为31.83kg/m。为确保支护结构的安全性，型钢的选择不仅要符合现场的实际情况，同时也要参考GBT 4697-2008《矿山巷道支护用热轧U型钢》YB/T 5074-2000《矿用工字钢》等国家标准。

型钢具有良好的抗压能力、抗剪切能力，在煤矿井下巷道掘进的过程中，支护结构需要应对围岩纵向、横向两个方向的内敛应力以及载荷，所以型钢横断面的几何参数要符合相关载荷要求，同时也要考虑到支架的可伸缩性以及接触面的滑移平稳性。

(2)预留煤柱支护

预留煤柱支护是最为传统的支护形式，煤矿井下巷道在掘进的过程中，巷道可分为下区段、上区段两个部分，回风平巷指下区段、运输平巷则是指上区段，通过在上区段、下区段之间预留一定宽度的煤柱，来形成支护结构，从而确保巷道决定的稳定性、安全性。预留煤柱支护操作是一种较为简单的支护技术，该支护技术能够提高巷道的通风性能以及排水性能，不过该支护方式的安全性、稳定性较差，且技术成本较高，在掘进的过程中，如果支撑煤柱损坏，还会对巷道的维护工作造成一定影响，甚至有可能影响相邻巷道的安全性、稳定性。

目前，110-N00工法在煤矿中逐渐得到了广泛应用，并且在逐渐取代传统支护方式。110-N00工法利用恒阻锚索对巷道顶板加强支护，以保证随后预裂顶板、切顶时不影响自动形成的巷道质量；利用切缝钻机施工爆破钻孔，聚能爆破装置超前预裂顶板，在顶板形成裂缝；用矿山压力在采场周期来压时沿顶板裂缝自动实现沿空切顶，将顶板切落下来，切落的顶板形成巷帮。该技术有着明显的应用优势，让无煤柱开采有了实现的可能，极大程度提升了资源回收率。

(3)可伸缩支架支护

可伸缩支架支护是煤矿井下顶板支护中的常见支护形式，通常来说，如果巷道的断面面积不大于8m2，巷道的类型为Ⅳ类或者Ⅲ类，那么就可采用该支护方式。该支护方式的抗载荷能力以及承压能力比较强，一般来说，在煤矿巷道实际载荷和极限载荷差距较小的情况下，利用可伸缩支架进行支护，就能够取得最优的支护效果。

2.煤矿井下巷道掘进顶板支护现存问题以及对策

(1)顶板支护问题

井下巷道围岩的实际情况，直接决定了煤矿巷道的支护难度，在掘进过程中，若是井下巷道围岩出现过大的位移或者变形，尤其是在岩体较为松软的巷道，就会导致巷道的压力增大，从而导致巷道变形。同时，如果顶板没有采取合理的方式进行固定，在掘进的过程中，若是遇水，围岩岩体就会逐渐变形，支护结构在这种情况下就到遭到严重的破坏。

另外，井下巷道在掘进的过程中，顶板受地质因素的影响，就会出现片帮、掉顶等问题，有时还会出现零块掉落的情况，这就在一定程度上增加了顶板支护的难度。针对这种情况，就需要落实地质勘测工作以及围岩压力监测工作，采用多种支护方式，来保证围岩的稳定性，避免片帮、吊顶造成人员伤亡。

(2)地质构造问题

煤矿掘进区域的地质层理、煤岩硬度、褶曲构造等因素，都会直接对巷道顶板支护造成影响，如果基础地质条件比较复杂，巷道支护结构的稳定性、安全性就会受到影响，从而导致煤矿巷道掘进工作效率降低。比如，遭遇褶曲断层地质构造，掘进过程中煤层厚度变化较大，各个阶段的巷道压力不同，所以在掘进的过程中就会导致煤岩层丧失稳定性，从而导致顶板碎裂甚至是掉顶。对此，就要加强支护结构强度，以及围岩让压以及释压的协调作用，让围岩在允许的范围内适当变形，以此来应对复杂的基础地质条件，提高支护效果，避免安全事故的发生。

(3)施工工艺问题

目前，我国煤矿井下巷道掘进工作主要利用钻爆法进行施工，并且采用锚喷支护为主要支护方式，锚喷支护极大程度提高了井下巷道掘进效率，但是在实际施工的过程中，仍旧存在着一定的技术问题，比如装药量不合理、打眼位置不合理等等，这就在一定程度上降低了支护质量。对此，就要加强在工艺、设备方面的投入力度，加快锚索、锚网等等可伸缩式的支架进行支护，实现机械化作业，实现装药、打眼自动化，避免人为因素降低该支护方式的稳定性。

3.案例分析

某煤矿井下巷道埋深大、地压大，掘进标高为-730cm--820cm，巷道需要穿过4层煤线，巷道周边岩性以细砂岩、粉砂岩为主，极其容易出现片帮、碎片掉落等等问题。巷道掘进的高度为4250mm、宽度为5500mm、推进断面面积约为20m2。

(1)支护技术选择

锚索组合梁支护，主要采用热压普通型钢、11#工字钢、T3钢带构成支护结构。组合梁支护采用Φ6mm钢筋焊接为背板，背板孔径为100mm×100mm，利用W5、T3型钢钢带配合锚杆支护。在半圆形巷道部分，钢带沿巷道四周逐渐铺设，直至墙体。铺设完成后，采用标号C30砂浆进行喷射。利用箱型梁以及锚索构成“一梁三索结构”，采用纵向布置的方法，预紧力为120kN。

在实际应用中，在载荷较为集中的区域，支护结构出现屈服现象（扭曲变形、撕裂），而T3钢带在载荷仅为10kN的区域就出现了撕裂的情况。为解决该问题，特采用箱型梁实现辅助支护，箱型梁选用7号π型钢，利用电弧炼钢炉制作而成，具有较好的耐磨性以及强度。经过实测，在箱型梁跨距为1m时，可达平均载荷能力为150kN，其载荷能力远高于目前应用的工字钢以及钢带，有效提升了锚索组合梁支护效果。

(2)支护对策

①表面压力收集技术

在煤矿井下巷道掘进中，不可避免存在一些无支护的空间，而本工程围岩条件差、地压大、埋深大，这些无支护空间，就成为了巷道压力卸载的突破口，支护结构的支护作用就不能充分发挥出来，甚至部分地段的巷道会出现支护失效的情况。对此，不仅需要采用合理的支护材料，同时还要结合表面压力收集技术来有针对性的加大巷道围岩表面封闭面积，结合锚梁索支护来保证井下巷道掘进的安全性、稳定性。

②采用锚索组合梁

本案例中巷道的复杂程度较高，所以需要采用锚索组合梁，保证围岩压力作用在锚索组合梁之上，同时要对围岩压力进行计算，本案例采用UDEC3.1离散元计算软件对巷道围岩应力分布以及塑性区域分布情况进行了计算分析，根据分析结果，采用增加锚索支护外锚机构刚度、强度的方式，来阻止围岩压力的卸载，从而避免巷道围岩变形。

4.结束语

综上所述，巷道顶板支护是煤矿井下巷道掘进中的重要环节，只有确保顶板支护的稳定性、安全性，才能够保证巷道掘进施工作业正常进行。因此，要对巷道顶板支护技术有足够认识，在施工之中要结合煤矿巷道周围岩体的实际情况，合理策划支护策略。