超前支护技术在采矿工程中的应用

王欣旭

（七台河市煤炭生产安全管理局 黑龙江七台河 154600）

采矿工程受到矿山地质条件的直接影响，在工程实施过程中，面临着错综复杂的地质条件及各种各样的安全风险，对于采矿工程来说无疑是巨大的挑战。所以需要在采矿工程中合理、准确、有效地运用超前支护技术，提前预防与治理采矿工程中的常见问题，如巷道掘进的坍塌问题、石门揭煤的掉顶问题及矿石回采的安全问题等，保障采矿工程的安全进行，全面提高煤矿生产的效益。

1 采矿工程中应用超前支护的必要性

超前支护技术为辅助性措施，其在采矿工程中的应用为井下煤矿各项施工作业构建一个安全、稳定的支撑结构，为施工作业创造最佳的空间环境与条件，并保证施工人员的安全。该技术目前在采矿工程中应用十分普遍，促使超前支护技术日益发展成熟，技术应用表现出了高的可靠性。井下煤矿开采具有一定的危险性，对于开采空间环境的安全性有着极高的要求，因此，在煤矿生产过程中使用超前支护技术构建安全的作业面，在保证煤矿生产安全的同时，提高煤矿开采的效率。现阶段，超前支护技术在采矿工程中应用的方式主要有以下3种：一是使用钢管直接加固，像在石门揭煤作业中在工作面四周设置钢管棚，稳定煤层结构；二是机载支护装置，将钢网或钢带顶到工作面顶部，完成工作面的支护加固；三是灌注泥浆，在采矿工程中遇到松散泥土和碎石地质条件时，直接灌注泥浆，借助泥浆黏性将碎石和土凝固在一起，产生加固的效果［1-3］。

2 超前支护之石门揭煤

2.1 常见的问题

在井下煤矿巷道掘进过程中，遇到煤层后需进行揭露，也就是指石门揭煤。在此作业环节中，如果出现煤层掉顶问题，会形成煤层连片塌落，严重影响到采矿的进度，该问题最为棘手。掉顶问题在采矿工程中时有发生，传统的解决方法是采用架棚探梁支撑，并根据现场实际情况，采用一些辅助性加固措施，但是仍然无法完全避免和解决该问题，还存在着掉顶隐患，迫切需要采用超前支护技术解决该问题。

2.2 超前支护技术的应用

基于目前采矿工程在石门揭煤中的掉顶问题，行业内还未有理想的解决方案，而经过实践应用发现，超前支护技术可大幅度提高煤层的支护效果，减少掉顶问题发生的频次，保证了石门揭煤作业的安全有序开展。实际应用流程如下：一是在巷道掘进未达到煤层之前，提前做好支护准备，在距离煤前2m位置，沿着巷道轮廓间距300m 进行打眼，打眼深度1.8m，均匀布设在巷道轮廓四周；二是在打好的孔中插入钢管，起到护顶的作用；三是在每次炮击之前，重复上述打眼、插钢管操作，采用此种方式循环进行石门揭煤，可有效减少煤层掉顶事件。此外，在实际的支护中，注意炮眼深度的严格控制，尽量不要超出钢管插入的深度，防止炮击后钢管掉落而无法形成对煤层的支护作用。所以，在石门揭煤使用超前支护技术时，需结合开采现场的实际情况，进行钢管长度与直径的选择，以及打眼间距、炮眼深度等的灵活控制，以确保石门揭煤作业的安全顺利进行［4-6］。

3 超前支护之巷道掘进

3.1 常见问题

井下煤矿开采过程中，根据煤层的位置进行巷道掘进作业以到达开采位置，巷道掘进的难度较大，其支护结构需承载上部土层的重量。由于在巷道掘进过程中未能做好预防性措施，巷道顶部土层随着巷道深度的增加，重量逐渐加大，原有的支撑结构承载力不够，最终引起巷道掘进比较常见的坍塌问题，一旦巷道坍塌，将无法继续进行掘进作业，需重新设计与规划巷道路线，直接增加了施工周期，提高了采矿工程成本。

3.2 机载支护装置的应用

巷道掘进发生坍塌的主要原因是提前预防不到位，支撑结构承载力不足。使用超前支护技术进行巷道坍塌的提前预防，并联合采用机械化设备，加快巷道掘进的速度，以促进巷道有序、安全掘进。巷道掘进机械设备采用悬臂式纵轴掘进机，并在掘进机上安装临时支护装置，在掘进的巷道顶部构建支护结构，为掘进机安全作业创造条件。机载支护装置借助掘进机原站供油，支护装置与掘进机油路相通。在使用支护装置之前，需关闭掘进机油路，使用装置的液压系统促使主架和顶梁架向着巷道掘进方向移动，并提前在顶梁架上安装支护钢带与钢网。其次，推动液压手柄，使液压油经过溢流阀、操作阀、分流集流阀、双向锁、油缸，最终驱动主架和顶梁架打开，到达支护位置后，上升主架将钢带和钢网顶在巷道上，然后进行打眼与锚杆作业，完成巷道顶部的超前支护作业。以上作业结束后，收回主架与顶梁架，关闭支护装置的油路，掘进机开始进行掘进作业，如此循环作业，在保证巷道结构安全的情况下，加快巷道掘进的速度。

3.3 超前支架的应用

3.3.1 自动式超前支架

自动式超前支架已经应用于采矿工程之中，加快了支护的速度。该支架接触面积大，支护强度好，在巷道围岩支护中的应用，提高巷道的安全稳定性，降低顶板问题的发生概率。使用操作简单，移动速度快，完全满足采矿工程工作面快速推进的需要。该支架整体结构紧凑，为采矿作业搭建了足够的通道空间，方便材料的运输与作业人员的来回走动。该支架在采矿工程中的应用，减少传统支护中材料与人力的投入量，节约工程成本，并为采矿工程支撑出安全的作业空间。

3.3.2 液压支架

（1）支护单元设置。该技术继承了单体配铰梁超前支护的技术优点，适用于变形采矿范围大的工程，支撑能力大，提高了超前支护技术应用的安全性与可靠性。针对不够稳定的采矿巷道，需选用支撑能力好的支护单元。将液压支架支护单元沿着开采影响范围进行布置，液压支架有2~4个立柱，根据实际情况进行选择，使用支护单元作为巷道的承载结构，缓解了巷道的变形压力。支护单元布置时，液压支架通常是沿着巷道中心线两侧布置，尽可能不影响巷道的宽度，保证巷道的通畅。

（2）支护单元运移。为了实现巷道的无反复支撑，减少超前支护的工作量，可采取尾部前移至首位的支护路线，将安全空间的尾部支护单元前移至采矿工程工作面推进方向的首位。运移主要有3 种方式：一是采用单轨吊运，在巷道顶部使用支护单元架设单轨作为运移单元的工具，优点是不占用巷道底部空间，不受巷道地面起伏影响，缺点是操作复杂；二是地面运输，使用车辆运输较为简单、直接，但是占用巷道空间，运输受到地面环境的影响较大，因此，在运输选择时，需要结合巷道的实际情况慎重选择；三是在超前支护单元的首尾各放置一台自移式吊装机，用于起吊支护单元，尾部吊装机将支护单元前移至中间位置，首部的吊装机将其移动到首位，以此循环移动。吊装机体量小、吊装操作简单方便灵活，在运移支护单元中具有应用的技术优势。

4 超前支护之矿产回采

矿产回采是指对已经开采过的矿山进行再次采矿，是采矿工程的重要组成部分。矿产回采是将之前开采遗留下的煤矿进行回收，避免矿产资源的浪费，增加煤矿的生产效益。矿产回采必须在保证煤矿工人的安全下进行，需使用安全的支护结构，使煤矿工人安全、顺利回收矿石。

4.1 常见的问题

由于矿产回采是在开采过的矿山进行，矿山经过长时间的煤矿开采，整体受力结构受到机械设备、爆破、人力等的影响，安全性较差，存在较高的坍塌风险，而且岩石较为破碎，增加了矿产回采的难度。前期采用的采矿施工方案已经明显不适用，需结合当下情形制定出安全有效的超前支护措施，才可保证回采工作的安全，那么应构建安全的回采作业空间，将矿山中遗留下的煤矿资源进行全面的回收，尽可能减少煤矿企业资源的浪费，提高企业的生产效益。

4.2 超前支护技术的应用

4.2.1 原路径回采

原路径回采是按照之前的采矿路径持续推进，回收原先采矿位置遗留下的煤矿。原路径回采回收煤矿的效果好，但是安全性较差，原先采矿的巷道经过长时间生产活动的干扰，矿井内部的承重结构性能有所下降，再次回采进一步增加了扰动程度，引发坍塌的概率较大。所以，需采用超前支护技术保障矿产回采作业的安全。具体措施如下：进路间距控制在大约5m，以间距1.5m开展放顶回采作业，进而保证原路径矿产回采作业的安全。

4.2.2 沿着连接柱回采

该回采方式与原路径回采相比，安全性较好且回采成本低，是矿产回采中较为安全的一种回采方法。但是，沿着废弃矿场连接柱回采效率不是十分理想，不能实现采矿区的全面覆盖，存在较多的回采盲点。因此，在回采方式中使用超前支护技术，以增加矿产回采的效果。针对回采工作面进行超前支护处理，工作面底部两侧使用两个支架作为支撑，两个支架之间的顶梁位置通过千斤顶链接底座，形成一个安全的支护结构，以此种方式进行支架前后设置，前后支架相互链接，使整体支架更为的牢固。该支架节约回采工作面的空间，支撑宽度可达3m，高度3.5m，底座较小，方便煤矿工人来回走动，保证回采安全的同时，节约回采的成本支出。

5 超前支护之电耙道修复

5.1 常见的问题

电耙道属于煤矿的运输通道，在煤矿开采过程中，电耙道会受到损坏，影响到煤矿运输的效率。例如，煤矿开采中的各种爆破影响到电耙道结构的受力状态，导致坍塌引发运输阻断问题，甚至是电耙道出现无法使用的情况，需要煤矿企业停止正常的采矿生产，进行电耙道的修复工作，进而增加煤矿企业人力、物力、财力等方面的资源投入，影响到煤矿企业的生产效益。基于此，针对电耙道采用超前支护技术，对电耙道周围的岩层进行超前加固，保证电耙道高质量的运行状态。

5.2 超前支护技术的应用

煤矿在开采过程中时常会用到底柱分段崩落法开展生产，而电耙道是为了运出矿井中的煤矿而建设，爆破直接影响到电耙道的运行状态。为了减少采矿爆破对电耙道的损坏，可在电耙道修复过程中使用钢筋混凝土结构作为超前支护方案。针对电耙道坍塌的位置，建议使用10cm×10cm 的钢支架，可根据坍塌的实际情况，选择“口”或“工”字形钢板。钢支架在设置时不可影响到电耙道正常运行，尽量设置在边缘位置。如果是整体电耙道超前支护，在电耙道周围岩石每隔5m打入一个钢锚杆固定岩石，使电耙道周围岩石层形成一个整体、牢固的钢锚棚，防止周围岩土的掉落。完成电耙道加固后，清理电耙道中的碎石、土壤等。在电耙道周围岩石加固稳定的基础上，为了提高电耙道煤矿运输效率，可进行电耙道的扩展，为煤矿运输开辟一条畅通无阻的道路。

6 结语

煤矿企业的采矿工程为井下作业，作业环境较差，危险系数较高。因此，在采矿工程的巷道掘进、矿石回采、石门揭煤、电耙道修复等项目中，需采用超前支护技术对作业空间环境进行加固处理，最大限度地避免采矿工程常见问题的出现，确保采矿工程安全、稳步、有序的推进，以此保证作业区安全、煤矿工人安全、生产安全，实现采矿工程生产效益、经济效益、安全效益的全面提升。