劉騰飛

【摘 要】眾所周知，煤礦掘進工作支護安全問題是困擾煤炭生產多年的一項技術難題。本文系統歸納了煤礦冒頂事故的特點和原因，探討了煤礦巷道的相關支護形式及技術，通過探討幾個影響煤巷錨桿支護安全可靠性的因素，提出了改進錨桿支護質量的相應措施，以加強我們的采礦專業(yè)的專業(yè)素養(yǎng)。

【關鍵詞】煤礦巷道；支護形式；巷道掘進；影響因素

引言

我國煤層賦存條件復雜，呈現多樣性，煤層厚度從零點幾米到幾十米之間變化，為了開采煤炭，需要開掘大量的煤巖巷道。支護的安全問題是長期困擾煤炭生產的技術難題，由于巷道掘進后頂板不能及時得到有效的支護，經常會造成頂板掉矸傷人事故。錨桿支護是我國煤礦巷道支護技術的發(fā)展方向，是一種先進的支護方式。煤巷錨桿支護作為煤巷支護改革的主要手段已得到廣泛應用，取得了顯著的經濟效益和社會效益，但也發(fā)生過重大支護失效事故。因此，在煤巷使用錨桿支護時，除遵循常規(guī)的規(guī)范和安全分析外，還必須將穩(wěn)定可靠性作為一個重要的設計研究指標，以保證錨桿支護結構的穩(wěn)定性具有足夠的可靠度。

1.冒頂事故的特點和原因

1.1冒頂事故的特點

冒頂事故一般都是在地質條件發(fā)生變化的地點，如有小斷層、巖石破碎、頂板裂隙發(fā)育或近距離煤層的層間距變小、頂板錨桿錨固點附近有煤線或有明顯的極易離層的巖層弱面存在。一般范圍較大，基本在巷道成巷部分，大多發(fā)生在掘進施工期間，且大多發(fā)生在瞬間，隨機性很大。

1.2冒頂事故的原因

造成冒頂事故的原因主要在支護設計方面和生產管理方面。支護設計方面存在重視頂板支護而輕視巷幫支護設計，巷幫支護強度不夠，錨固力低，支護效果差，造成煤壁松軟，發(fā)生片幫后，巷道跨度增大，引起應力重新分布，致使頂板懸頂面積增大，最后頂板靠近煤幫破斷，發(fā)生大面積冒落。生產管理方面表現在技術管理和質量管理不到位。在頂板巖性發(fā)生變化時，區(qū)隊沒有及時將信息反饋給技術部門，最終導致頂板事故發(fā)生。

2.煤礦巷道的支護形式

2.1砌碹支護

砌碹支護是應用很早的支護方式，目前在一些礦井的硐室、大巷中仍然采用。按砌碹支護材料可分為：料石、混凝土砌塊、現澆混凝土、現澆鋼筋混凝土等。但是，砌碹支護屬于剛性被動支護，不僅支護成本高、施工速度慢，勞動強度大，而且不能適應圍巖大變形。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。

2.2棚式支架

煤礦巷道的主要支護方式是棚式支護，在20世紀90年代初，這種支護所占的比重高達80%以上。按支護材料可分為木支架、鋼筋混凝土支架及金屬支架，其中木支架與鋼筋混凝土支架已經逐步被淘汰。金屬支架按工作原理分剛性與可縮性支架；按支架材料分為工字鋼、U型鋼及其它；按斷面分為梯形、拱形、圓形、環(huán)形。但是，棚式支架也屬于被動支護，支架與巷道表面很難密切接觸，控制圍巖早期變形的能力差，在復雜困難條件下支護效果差、成本高。棚式支架的用量在逐年減少，被錨桿支護逐漸替代。

2.3錨噴支護

1956年開始我國煤礦在巖巷中開始使用錨噴支護，至今已有50多年的歷史。噴射混凝土可及時封閉巷道周邊，實施密貼支護，減少水、風對圍巖強度的影響。錨桿可及時支護圍巖，起到主動加固作用，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。經過多年來連續(xù)不斷的研究、試驗與推廣應用，錨噴支護技術無論在支護理論、支護設計，還是支護材料、施工機具與工藝、質量檢測與礦壓監(jiān)測方面都取得了長足發(fā)展。錨噴支護不僅成為巖巷首選的、性能優(yōu)越的支護形式，而且錨桿支護也成為煤巷的主體支護方式。

2.4注漿加固

在破碎煤巖體中開掘或維修巷道，采用棚式支護或錨桿支護很難取得較好的支護效果，圍巖注漿加固是一條有效途徑。注漿漿液可充填圍巖裂隙，將破碎巖體固結，改善圍巖結構，增加圍巖自身承載能力。目前注漿材料主要有兩大類型：水泥基材料和高分子材料，可根據巷道地質與生產條件選取。

2.5復合支護

復合支護是采用兩種或兩種以上的支護方式聯合支護巷道。如果能充分發(fā)揮每種支護方式的支護性能，做到優(yōu)勢互補，復合支護會有更好的支護效果和更廣泛的適用范圍。復合支護雖然適用范圍廣，但支護費用高，成巷速度慢，支護形式選擇不匹配時，往往造成各個擊破的情況。應針對巷道具體條件，選擇合理的復合支護形式，才能達到預期效果。

2.6應力控制技術

將巷道布置在應力降低區(qū)，或采取人工卸壓措施，使巷道周邊的高應力向深部轉移，是巷道圍巖變形控制的另一個途徑。將巷道布置在應力降低區(qū)是首選的方法。巷道布置方向優(yōu)化、斷面形狀與尺寸優(yōu)化，均可改善巷道受力狀況。人工應力控制措施主要有切縫、鉆卸壓孔、爆破及掘卸壓巷等方式。由于人工應力控制方法施工比較復雜，目前還沒有大面積推廣應用。

3.影響煤巷錨桿支護安全可靠性的幾個方面

煤巷錨桿支護的安全可靠性，是指所采用的錨桿支護系統，在巷道整個服務期間內，滿足安全和生產需要的程度。從設計方法、地質條件到錨桿施工質量、工程監(jiān)測都影響到錨桿支護系統的安全可靠性。

3.1設計方法

煤巷錨桿支護設計關系到巷道錨桿支護工程的質量優(yōu)劣、是否安全可靠以及是否經濟合理等問題。目前國內外煤巷錨桿支護設計可分為工程類比法、支護機理計算法、數值計算法。工程類比法需要設計者有較多的工程經驗，而且對巷道類別要準確界定，是一種依據經驗進行設計的方法。根據錨桿支護機理理論進行設計是針對某一理論的特定圍巖巖性和巖體結構所采取的支護形式。隨著巖性和頂板結構的變化，有時某一支護作用更顯突出，有時另一種支護機理起主導作用，目前尚未形成綜合各種支護機理的錨桿支護參數計算方法。數值計算法是一種有前途的設計方法，目前還處于研究階段，獲得廣泛應用還需要一定時間。

3.2地質條件預測

巷道圍巖是一個極其復雜的地質體，在進行巷道布置和支護設計時，應對圍巖各類地質力學條件充分了解。對于煤巷錨桿支護設計，需要進行多方面的地質力學測試。

3.2.1圍巖強度測試，在井下鉆孔中進行巷道圍巖強度測試，與實驗室?guī)r塊強度測試相比，同時還可以測出軟弱破碎巖層的強度。

3.2.2圍巖結構測試

利用光導纖維窺視儀，裂隙等結構面的分布及發(fā)展變化。

3.2.3圍巖深部位移和破壞范圍測試。

3.2.4地應力測試。

3.2.5錨固性能測試，在現場進行錨桿拉拔破壞性實驗錨固劑與巖層。錨桿之間的黏結性能以及桿體的破斷力，以此作為錨桿支護參數設計的重要依據。

3.3錨桿施工質量

錨桿的錨固力與預拉力是兩個不同概念，錨桿的錨固力反映了錨桿固結巖的能力，而錨桿的預拉力大小反映了錨桿對圍巖的主動加固能力。預拉力錨桿支護的關鍵是通過錨桿及附屬構件對圍巖施加外力，使錨固范圍內的頂板受水平應力作用時處于橫向壓縮狀態(tài)，形成自撐機構。在維護巖體自身穩(wěn)定的同時能承受上部載荷，維護巖體的連續(xù).穩(wěn)定。錨桿預拉力大到一定程度時。錨固范圍內及錨固長度之外的圍巖不存在離層破壞。目前煤巷錨桿支護普遍使用樹脂錨固劑，要想使錨桿有較大的預拉力，錨桿施工質量要得到保證。

3.4工程監(jiān)測

煤巷錨桿支護工程監(jiān)測的主要內容是對頂板離層及巷道位移量的監(jiān)測。頂板離層指巷道服務期內頂板巖層中一點與其正上方一定深度巖層中某點的相對位移量，一般將離層劃分為錨桿錨固范圍內頂板離層和錨固范圍外頂板離層。目前在煤礦中使用的頂板離層指示儀是以不同的顏色段對頂板錨固范圍內和錨固范圍外離層情況提供連續(xù)的直觀顯示，以便向井下作業(yè)人員隨時警示頂板變化情況，及早發(fā)現頂板失穩(wěn)的征兆，便于采取必要的加固措施。實際使用中存在如何確定頂板離層界限的問題。頂板離層界限是指錨桿支護巷道在正常使用情況下，所允許的頂板離層的范圍。超過這一范圍意味著頂板將處于非穩(wěn)定狀態(tài)之中，應該密切注意頂板動態(tài)，及時采取相應的補強措施。

4.提高錨桿支護質量的相應措施

4.1加強技術管理

支護設計必須執(zhí)行圍巖、煤層條件分類—支護設計—安全監(jiān)控與分析—修正完善設計的程序，且支護設計必須建立在對頂板和煤層條件有清晰認識和判斷的基礎之上。支護設計完成后，必須進行支護效果的觀測，支護形式必須隨施工條件的變化而改變，堅持“幫頂同治”的思想。實踐證明，加固兩幫及底角，可以明顯抑制底板鼓起，提高圍巖的穩(wěn)定性，作用十分明顯。巷幫支護要全面淘汰初錨力低、錨固效果差的非金屬錨桿，采用金屬錨桿。另外，由于鋼筋梯子梁存在易撕裂、抗剪強度小、不能緊貼巖面、接觸面積小等不足，建議頂板支護推廣使用“W”或“M”型鋼帶，逐步淘汰金屬梯子梁。

4.2加強質量管理

4.2.1加強施工管理

在現場施工中要提高錨桿預拉力，保證錨桿施工質量。推廣應用高性能錨桿，既要安裝方便，減小安裝時的摩擦力，保證預拉力的實現，又要有醒目的標志直觀顯示安裝施工質量，將錨桿支護這一隱蔽性工程顯性化。采用大扭矩的錨桿施工機具，提高工人操作水平，保證錨桿安裝質量，充分發(fā)揮錨桿在支護中的作用。

4.2.2加強監(jiān)測管理

錨桿支護巷道頂板離層成因復雜，影響因素多，在實際生產中，要按要求安設多種監(jiān)測儀器，并充分發(fā)揮監(jiān)測設備應有的作用?，F在，已開發(fā)的數顯離層指示儀能提供連續(xù)直觀的離層數據顯示，以便向井下作業(yè)人員隨時警示頂板變化情況，及早發(fā)現頂板失穩(wěn)的征兆，便于采取必要的加固措施。同時，在不同的施工條件下綜合考慮錨桿受力大小、巷道表面位移、巷道感觀變化等因素，以此作為判斷巷道安全可靠性和采取補強措施的依據。

4.2.3加強現場管理

生產班組管理是各項管理的基礎和關鍵，抓好班組質量管理對保證錨桿巷道的支護安全至關重要。施工過程中要不斷提高工藝技術水平，保證支護質量。第一，控制巷道成形。因為成形不好，會直接破壞圍巖強度，不利錨桿托板與巖面密貼，錨桿受力條件變差。第二，實現及時支護。及時支護是巷道穩(wěn)定的保證，沒有及時支護，成形的幫、平穩(wěn)的頂也會被破壞。第三，保證錨桿的安裝質量。強化打眼質量和錨桿快速安裝工藝的管理，使錨桿具有一定的初錨力，同時要使鋼帶、金屬網等護表構件緊貼巖面，充分發(fā)揮其護表功能。第四，在過斷層、壓力集中區(qū)、淋水段等圍巖條件復雜區(qū)域，必須采取有效的工藝技術措施，及時縮小循環(huán)進度。尤其應當注意的是當錨索鉆孔出現導水跡象時，必須采用支撐式支護。

5.結論

我國的煤炭工業(yè)經過了幾十年的發(fā)展，煤礦開采技術、巷道系統布置已日漸成熟，錨桿支護技術是繼我國煤礦成功應用綜合機械化采煤技術以來采掘技術的又一次革命。它不僅保證了采煤工作面的安全、快速、高效推進， 煤炭產量和效益的大幅度增長， 而且深刻地改變了礦井的開拓部署與巷道布置方式。