煤炭采矿工程巷道掘进和支护技术应用

摘要：煤炭作为重要的能源资源，其开采业面临的技术挑战和安全问题日益增多。尤其在深部矿山开采中，科学的巷道设计、先进的掘进技术及有效的支护措施能够保障矿井的长期稳定性。探讨了煤炭采矿工程巷道掘进中的结构设计、掘进流程控制、瓦斯排放管理及通风防尘措施，深入分析了混凝土支护、锚杆支护、预留煤柱支护和刚性支架支护技术的具体应用。

关键词：煤炭采矿工程巷道掘进支护技术施工方法

ApplicationofTunnelExcavationandSupportTechnologyinCoalMiningEngineering

KONGLei1SONGShitao2

1.HuanchengCoalMine，WeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，ShandongProvince，Jining，ShandongProvince，277600China;2.YongshengCoalMine，ShandongWeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，Jining，ShandongProvince，277600China

Abstract：Coal，asanimportantenergyresource，itsminingindustryisfacingmoreandmoretechnicalchallengesandsafetyproblems.Especiallyindeepmining，scientifictunneldesign，advancedtunnelingtechnologyandeffectivesupportmeasurescanensurethelong-termstabilityofthemine.Thestructuraldesign，tunnelingprocesscontrol，gasemissionmanagementandventilationanddustpreventionmeasuresincoalminingengineeringtunnelexcavationarediscussed.Theconcretesupport，boltsupport，reservedcoalpillarsupportandrigidsupporttechnologyaredeeplyanalyzed.

KeyWords：Coalminingengineering;Tunnelexcavation;Supporttechnology;Constructionmethod

在全球能源结构中，煤炭是发展中国家主要的能源供应来源。随着经济的快速发展，人们对能源的需求日益增长，煤炭的开采量也随之增加。随着地下矿井深度的增加，地压活动加剧，矿山巷道的稳定性对于整个矿山的安全生产至关重要。通过采用先进的掘进机械和支护系统，施工团队可以在不同地质条件下提高作业效率，从而保证矿山长期稳定运行，维持矿工的工作环境安全。因此，巷道掘进和支护技术在煤炭采矿工程中发挥决定性作用是煤炭工业持续发展的可靠保障。

1煤炭采矿工程巷道掘进技术

1.1结构设计

巷道的设计需基于其功能、地理位置、形状和尺寸，并考虑围岩的类型、特性和状态。通过精确的计算和科学的分析，工程师确定掘进和支护方式，设计最佳的断面形状、尺寸和坡度，以及适宜的曲率和间距参数。具体来说，巷道的结构设计首先需要详尽的地质勘查，以获取矿体的精确信息，包括位置、大小、形状和取向。利用地球物理和地球化学探测技术，深入了解矿体及其周边岩层的详细数据，再依据这些数据，结合水文条件、岩石硬度和应力状态，选择合适的掘进策略。例如：对于倾斜或立体的矿体，采用垂直井或斜井的掘进方案；对于较为扁平的矿体结构，则优先选择水平巷道掘进方法，以提高效率。巷道的断面设计采用圆形、马蹄形或矩形，具体选择基于围岩的稳定性和巷道的用途来确定[1]。例如：马蹄形断面多用于主运输巷道，因其顶部较宽可以容纳设备和运输车辆；矩形或圆形断面则常用于辅助通风或逃生通道。巷道宽度一般设置在4～6m之间，高度约为3～5m，旨在有效地承受上覆岩层压力，为设备和人员提供必要的操作空间。为了保证载重车辆的安全行驶，巷道坡度设计不超过8%，减少运输过程中的滑车现象。

同时，巷道的曲率半径应至少为15m，以适应大型机械的转向需求，并防止在曲线部分的车辆翻倒。根据岩石硬度和其他掘进要求，合理选用巷道掘进机、钻爆设备等，同时设置临时支护措施预防巷道塌陷，确保施工过程的安全性。此外，还需对瓦斯聚集、涌水、岩爆等潜在风险进行监测和评估，确保巷道掘进工作的顺利进行。在巷道布置方面，对于采场巷道的布置，需沿矿体走向或倾向进行，尽量减少与采场帮壁的接触，以减少围岩松动。对于巷道的斜度、长度和宽度，也需根据采场条件、顶板情况和岩石物理力学性质综合考虑。例如，在底板较稳定的中段，巷道应布置在岩层中；若底板不稳定，则应考虑布置在距底板较远的一侧[2]。对于薄、中厚或厚大矿体等不同类型的矿体，需要对巷道的位置和倾角进行针对性设计，以保证开采效率和巷道的长期稳定性。

1.2控制掘进流程

对于掘进机械设备的选择，需根据巷道类型和地质条件进行优化。对于硬岩巷道，选择功率范围在200～500kW的悬挂式掘进机，其钻头直径可达150mm，适用于完成复杂的岩石掘进任务；对于软岩或煤层巷道，推荐使用功率在100kW以下的全自动割煤机，这种机器的切割宽度可达3m，适合低硬度岩层的快速切割。不同的掘进技术，如全煤岩掘进或综合掘进技术，根据具体情况搭配使用，以适应巷道的地质特点。针对特定施工需求，部署单体钻机、液压凿岩车和风动凿岩车等，以适应不同的掘进和支护任务。采用综合机械化掘进方法，结合全煤岩掘进技术和半煤半岩石掘进技术，实施巷道掘进。这些技术的应用需配合高效的掘锚一体机，这类设备配置有自动化锚杆安装系统，锚杆长度从1.8～2.4m不等，直径为22mm，以适应不同的地质强度和稳定需求。地测部门采集关于岩性、地质构造、顶底板稳定性及水文地质的数据，据此制定出具体的贯通策略[3]。

在掘进的关键阶段，如贯通前60m至贯通点，需展开详尽的瓦斯监测和顶板支护。巷道掘进时，每隔10m需重新评估地质条件和掘进设备配置，确保掘进参数与地质数据的匹配。在贯通阶段的风险管理中，特别关注通风系统的调整和瓦斯管理。调整通风系统的措施包括分析贯通前后的通风网络变化，以及详细记录调整通风设施的位置、类型、结构和建设时间。在贯通实施前，需进行至少5个方向的钻孔探测，并采用集体贯通制度，确保所有参与部门在贯通时的同步操作和安全。

1.3控制瓦斯排放

为确保瓦斯浓度控制在1.0%甲烷浓度的安全阈值以下，施工团队在掘进前沿每20m设置甲烷传感器等高灵敏度的瓦斯检测仪器，实时监测空气中的甲烷浓度，并在检测到高瓦斯浓度时触发警报。利用安装在煤层中的抽放钻孔控制瓦斯，这些钻孔直接接触煤层，可以抽取存于其中的瓦斯，钻孔直径设置为100～150mm，根据地质情况确定其深入煤层的长度，一般为20～100m。针对煤巷掘进工作面，探测和钻掘是关键步骤。在掘进前，应使用地质探针或先进的探矿设备来评估瓦斯分布情况。在爆破前，必须进行详细的瓦斯检查，确保瓦斯浓度在安全范围内。钻孔瓦斯浓度若超过40%，必须先抽放瓦斯后才能进行装药爆破。在实施爆破作业时，须在爆破前后30min内进行密集的瓦斯检测，确保无瓦斯超标风险再启动作业[4]。在掘进作业中，为防止瓦斯超标，使用长度可达200m的风筒系统，确保风筒末端与工作面的距离不超过10m，以保持足够的通风量和风速，风速维持在0.5～1.0m/s。在特定工作条件下，如掘进面接近高瓦斯区域或地质构造复杂地区，采取增加通风量的措施，风速可提高至1.5m/s，迎头通风不足时，应及时延接风筒。尤其是在贯通或揭露老巷（钻孔）期间，必须先恢复老巷通风或制定专项透老巷措施。此外，所有掘进工作面的瓦斯抽采孔都应执行“成一孔抽一孔”的原则，防止多个钻孔瓦斯同时大量涌出，造成安全风险。

1.4通风防尘工作

通过使用高效能风机来实现机械通风，这些风机具有强制输送空气的能力，实现巷道内的换气和压力平衡。例如：安装具有至少10000m3/h的流量能力和2000Pa的静压力的轴流风机，以覆盖更长的巷道距离，这些风机的布置需根据巷道的具体地质和空间结构进行优化设计，确保有效的空气流通。自然通风则利用巷道内外的温度、压力和密度差异，促进空气的自然流动。在设计时，考虑巷道的倾角和走向，利用重力和温差来引导空气流动，减少能耗。

在防尘方面，施工期间的洒水系统是关键。通过在巷道掘进机前端和煤壁旁设置喷水装置，不仅可以有效地抑制粉尘飞扬，还可以在一定程度上减少瓦斯的积聚。喷嘴的设计要确保喷水覆盖整个工作面，而水压需维持在200～400kPa之间，以形成细小的水雾粒子，有效降低空气中的粉尘浓度。

此外，为了更有效地控制瓦斯和粉尘的浓度，需根据巷道的长度、断面以及瓦斯涌出量来定制通风管道系统。通风管道需有足够的直径（600～1200mm之间），以保持足够的风量和风速，风速在2～5m/s之间，以有效稀释瓦斯和粉尘。巷道内部的通风布局也需科学规划，采用局部通风系统将新鲜空气直接送入工作，设置风门控制巷道内的气流方向和速度。对于通风防尘系统的运行状态，需要通过安装在巷道各关键点的空气质量监测仪进行实时监控，这些监测仪能够测量空气中的甲烷、二氧化硫、一氧化碳等有害气体的浓度，以及空气中的粉尘浓度，通过传感器，实时把数据传输至中控室，工作人员可以根据监测结果调整风机功率和喷水系统，确保巷道内环境符合安全健康标准。

2.煤炭采矿工程支护技术

2.1混凝土支护技术

对于预制混凝土衬砌，通过在地面预制具有特定弯曲强度和抗压强度的混凝土板，然后将其运输至矿井下安装。这种衬砌板的尺寸根据巷道的尺寸定制，一般厚度为150～300mm，以确保足够的结构强度。在安装前，需对预制板进行表面处理，以确保其与巷道围岩间有良好的接触和结合。安装时，使用专用的连接件和环氧树脂等密封材料来固定并密封衬砌板，防止水和其他地下液体的渗入。喷射混凝土技术通过使用湿喷或干喷机械设备，将混凝土喷射到巷道的围岩表面上。在喷射前，首先对围岩表面进行清理，去除松动的岩石和灰尘，然后施加一层粘结剂以增强喷射混凝土与围岩的粘结力。混凝土的配比包括水泥、砂、石子和必要的添加剂，以提高其流动性、粘附性和快速硬化性。在喷射过程中，喷射厚度控制在100～200mm，根据地质情况，可能需要分层喷射，每层间隔时间为几小时到1d，以确保每层混凝土的适当固化。混凝土锚杆的使用为巷道提供了附加的稳定性，锚杆的安装包括钻孔、安装钢筋或纤维锚杆、注入灌浆。根据地质条件和锚杆，设计钻孔的深度和直径，直径为25～40mm。使用的灌浆材料为特殊的水泥基混合物，其具有良好的流动性和早期强度，能够在锚杆周围形成坚固的圆柱体，提高锚固力。

2.2锚杆支护技术

根据围岩的条件和巷道的具体需求，选择钢筋锚杆或纤维锚杆。钢筋锚杆普遍用于较硬的岩石中，其直径一般为20～25mm，长度从1.5m到4m不等，以适应不同的岩石条件和支护需求。纤维锚杆则适用于较松散或湿润的地层，因其更好的抗腐蚀性和柔韧性，适合复杂的地质环境。在使用钻孔机进行钻孔时，钻孔的直径必须稍大于锚杆的直径，以确保锚杆可以顺利安装。依据工程设计钻孔深度，为锚杆长度加上10～30cm的储备长度。根据巷道的断面尺寸和岩层情况精确测量和规划钻孔位置和间距，形成均匀的支护网络。锚杆安装包括将锚杆插入钻孔并使用适当的锚固剂固定。锚固剂常用的有快速硬化的水泥浆或树脂，这些材料能迅速在锚杆与岩石间形成强力的粘结。对于水泥浆的比例调配，需要根据厂家的规格进行，确保最佳的粘结效果。在深钻孔或潮湿条件下，可能优先选择树脂作为锚固剂，因其拥有快速固化和优越的水中性能。在锚杆安装后，使用液压张拉设备进行张拉，对每根锚杆施加100～200kN张力。张拉后，锚杆的外端用金属板和螺母固定，以维持张力状态。采用拉力测试仪和位移传感器等设备定期检测已安装锚杆的张力和位移情况，确保其在长期负载下的稳定性和安全性。此外，对锚杆进行定期视觉检查，查找任何可能的腐蚀或损伤，并进行必要的维护。

2.3预留煤柱支护技术

此技术通过在开采区域内有计划地预留煤柱，以维持巷道的稳定性，减少地表沉降，并控制矿区的压力环境。煤柱尺寸和形状的决定因素包括煤层的厚度、围岩的力学性质、覆岩深度及预期的采矿压力。在矿区规划阶段，煤柱被划分为规则的网格模式，每个网格代表一个采矿单元。网格的尺寸直接关联到煤柱的大小，常见的尺寸为10m×10m～30m×30m，根据煤层的安全裕度和经济效益对其进行调整。在采矿作业中，需严格规划每个网格的开采顺序和方式，以最小化对煤柱结构完整性的影响。对煤柱的定位，通常考虑如何有效控制开采区与未开采区之间的应力分布，煤柱应均匀分布在巷道周围，特别是在重要结构如通风系统和运输路线的附近，以增强整体的稳定性。在施工过程中，通过使用高精度的地面和地下测量设备，确保每个煤柱按设计精确放置[5]。此外，为了提高煤柱的承载能力，可采用化学注浆技术，通过在煤柱内部注入化学树脂或水泥浆体来增加其稳定性，这种方法特别适用于存在大面积空洞或裂缝的煤柱，能有效提高煤柱的整体强度和抗变形能力。

2.4刚性支架支护技术

对于刚性支架的设计与安装，首先需要根据地质条件和巷道尺寸进行详细规划。支架的主要组成部分包括立柱、横梁和顶板，每个部件的规格和材质都需精心选择。通常，支架立柱采用Q235或Q345钢等高强度钢材，直径在200～300mm之间，壁厚为8～12mm，以提供足够的承载能力和抗变形性能。对于横梁和顶板的设计，则需考虑与立柱的连接方式和支撑区域的覆盖范围，确保结构的整体性。在具体施工中，首先，进行巷道的清理和初步测量，以确定支架的安装位置，间距为1.0～1.5m；然后，安装立柱，确保其垂直度和位置精确。立柱通常通过底部的基座固定在地面上，基座采用钢板和锚栓固定，确保立柱在受到围岩压力时不会发生位移。安装横梁时，采用高强度螺栓或焊接方式将其固定在立柱上，横梁的长度需与巷道宽度相匹配，通常为3～4m。顶板的安装则需覆盖整个巷道顶面，顶板通常采用钢板或预制混凝土板，厚度在10～20mm之间，以提供足够的抗压强度。顶板与横梁之间采用焊接或螺栓连接，确保顶板在受到围岩压力时能够有效传递和分散应力。在安装过程中，需使用专业设备如液压起重机和高精度水平仪，确保每个部件的安装位置和角度符合设计要求。安装完成后，全面检查整个支架系统，包括连接件的紧固情况、立柱的垂直度和顶板的平整度等。必要时，使用混凝土灌浆对立柱基座进行加固，以提高支架系统的整体稳定性。

3结语

合理的结构设计和优化的掘进流程控制可以保证巷道的稳定性；使用高效的气体检测仪器和抽放系统进行高效的瓦斯排放管理，保障矿井环境安全；通过科学的通风防尘措施，利用机械通风和洒水系统，有助于提升空气质量。混凝土支护技术通过预制混凝土衬砌和喷射混凝土增强巷道强度；锚杆支护技术使用高强度钢筋或纤维锚杆提高岩层稳定性；预留煤柱支护技术通过合理布局和监测提高巷道承载能力；刚性支架支护技术利用高强度钢材和精密安装确保巷道结构的长期稳定。通过综合应用这些技术，煤炭采矿工程能够在复杂地质条件下实现安全、高效的生产目标。

参考文献

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[2]钱永寿.浅析煤矿采矿工程中巷道掘进支护技术的应用[J].产品可靠性报告，2024（1）：101-102.

[3]吴杰.煤矿采矿工程中巷道掘进和支护技术应用研究[J].能源与节能，2023（9）：142-144.

[4]李志光.浅析煤矿采矿工程中巷道掘进支护技术的应用[J].能源与节能，2023（8）：139-141.

[5]韩德国，杨飞飞，梁敏.采矿工程巷道掘进和支护技术的应用分析探讨[J].中国金属通报，2023（6）：29-31.