郝亞楠

（西山煤電西曲礦掘進(jìn)四隊(duì)，山西 古交 030200）

引言

煤炭巷道挖掘越深，煤炭開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力環(huán)境情況也越來(lái)越復(fù)雜，加大了煤礦開(kāi)采的難度，不僅影響到開(kāi)采效率，而且對(duì)開(kāi)采安全也提出了一定的要求。確保巷道穩(wěn)定性，已經(jīng)成為煤炭安全開(kāi)采的必要條件之一。巷道施工過(guò)程中因受到內(nèi)部巖體和外部環(huán)境兩方面的壓力，容易出現(xiàn)破碎和變形，增加施工難度。為了避免施工過(guò)程中發(fā)生安全事故，通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)方式的合理選擇，參考相關(guān)支護(hù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)設(shè)計(jì)，可以提高煤礦施工的效率，保障施工人員的安全，同時(shí)可以為類似山西西山煤電股份有限公司西曲礦北三下組煤2 號(hào)探巷地質(zhì)情況的巷道掘進(jìn)支護(hù)提供一些思路和參考。

1 巷道的基本情況

北三下組煤（新區(qū)）2 號(hào)探巷2 段選址在西曲礦北三盤(pán)區(qū)西北部，該巷道施工長(zhǎng)度為240 m，沿8 號(hào)煤層頂板方向進(jìn)行垂直施工，施工斷面形狀為矩形，施工斷面寬度為4.5 m、高度為3.5 m，斷面示意圖如圖1 所示。8 號(hào)煤層厚度為3.7～4.7 m，一般厚度為3.9 m，煤層整體傾向南西，傾角2°～8°，平均為4°。該區(qū)域頂板灰?guī)r及上部砂巖風(fēng)化，巖性變質(zhì)且厚度不穩(wěn)定。施工期間風(fēng)化區(qū)域及構(gòu)造區(qū)域頂板容易產(chǎn)生裂縫，施工過(guò)程中要注意監(jiān)測(cè)壓力，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，確保施工安全。8 號(hào)煤層爆炸可能性為19.76%，在煤層自燃傾向分類中為Ⅱ類。巷道截面瓦斯涌出量0.32 m3/m。8 號(hào)煤層頂板基本頂硬度8.13，厚度為4 m，是中粒砂巖；8 號(hào)煤層直接頂硬度10.56，厚度為2.1 m，是L1 石灰?guī)r；偽頂硬度4.1，厚度0.6 m，是泥巖；地板中基本底硬度5.72，厚度4.3 m，是細(xì)粒砂巖；直接底硬度與基本底一樣，厚度1.4 m，是粉砂巖。

圖1 北三下組煤（新區(qū)）2 號(hào)探巷斷面示意圖（單位：mm）

北三下組煤（新區(qū)）2 號(hào)探巷8 號(hào)煤層截面地下水的各種變化和運(yùn)動(dòng)類型簡(jiǎn)單，施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的主要問(wèn)題是頂板巖層裂縫中會(huì)發(fā)生水的滲漏，富水性弱且不均一，頂板水以淋水、錨索眼小股流水方式進(jìn)入截面。由于巖層滲水性不同，裂縫處滲水可能相對(duì)較嚴(yán)重，一般涌水點(diǎn)會(huì)逐漸衰減直至消失，對(duì)施工過(guò)程影響不大。

根據(jù)8 號(hào)煤層實(shí)際地質(zhì)情況和水文地質(zhì)的特點(diǎn)，斷面形狀和承壓能力的不同，需要選擇合適的支護(hù)方式和參數(shù)進(jìn)行分析，提前做好礦壓監(jiān)測(cè)，從而確保掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行，分析施工過(guò)程可能存在問(wèn)題，并提前準(zhǔn)備相關(guān)解決方案，科學(xué)合理地進(jìn)行支護(hù)施工，確保煤礦開(kāi)采過(guò)程中巖層的穩(wěn)定性和安全性。

2 巷道支護(hù)參數(shù)分析

2.1 斷面形狀選擇

煤礦巷道斷面形狀差異會(huì)導(dǎo)致巷道承壓能力的差別，我國(guó)巷道斷面形狀主要包括矩形、梯形和拱形，不同巷道形狀在具體使用過(guò)程中有著各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。以拱形巷道為例，相比于矩形和梯形巷道，拱形巷道對(duì)于來(lái)自頂板的壓力有著較好的承受能力。但與此同時(shí)，拱形巷道由于易破碎、維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、難度大，在實(shí)際應(yīng)用中影響煤礦開(kāi)采的高效性和安全性而難以廣泛應(yīng)用。在北三下組煤2 號(hào)探巷，根據(jù)煤層狀況、地質(zhì)狀況、水文地質(zhì)等因素綜合考慮，認(rèn)為最適宜的巷道斷面形狀為矩形。矩形斷面有利于提高巷道施工的高效性、穩(wěn)定性和安全性[1]。

2.2 支護(hù)時(shí)間選擇

巷道支護(hù)過(guò)程中，會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向巖石的壓力，巖石同時(shí)會(huì)發(fā)生塑性形變，頂板也有可能發(fā)生破碎、下沉的問(wèn)題，對(duì)施工安全造成極大的威脅。所以在巷道掘進(jìn)施工過(guò)程中，需要進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。當(dāng)受到的壓力接近支護(hù)力度時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)作用，避免巖石壓力過(guò)高導(dǎo)致巷道變形，從而影響施工安全。所以需要選擇合適支護(hù)時(shí)間和支護(hù)措施，保障巷道施工高效、安全、穩(wěn)定進(jìn)行。

2.3 支護(hù)參數(shù)選擇

巷道掘進(jìn)工作中，支護(hù)參數(shù)和支護(hù)方式選擇的科學(xué)性與合理性對(duì)安全支護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著決定性作用，可以保證巷道巖層的穩(wěn)定性，有利于巷道施工的高效進(jìn)行。提前進(jìn)行施工巷道考察，合理進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，選擇合理支護(hù)參數(shù)，有利于保證巷道施工的安全，提高煤炭開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)煤炭企業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。

3 巷道支護(hù)方式選擇

3.1 棚式支護(hù)方式

20 世紀(jì)90 年代，棚式支護(hù)方式一經(jīng)使用就引起人們的極大關(guān)注。根據(jù)材料的不同，巷道支護(hù)方式被劃分成由混凝土、鋼筋、金屬材料制成的3 種棚式支護(hù)方式。隨著科技進(jìn)步和發(fā)展，混凝土和鋼筋材料制成的棚式支護(hù)方式逐漸因?yàn)椴荒芷鸬阶銐蛑巫饔迷斐蓭r石破碎，容易造成工作人員受傷而被放棄使用；金屬支架結(jié)構(gòu)棚式支護(hù)方式因?yàn)閳?jiān)固性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)在多種棚式支護(hù)方式中脫穎而出，從而得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，支護(hù)操作簡(jiǎn)便易懂、布設(shè)方便、對(duì)不同情況都有較好的適應(yīng)性，在巷道掘進(jìn)中顯示出極大的優(yōu)越性，但因?yàn)樵靸r(jià)昂貴，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)度不高。

3.2 錨噴支護(hù)方式

錨噴支護(hù)方式在煤礦開(kāi)采過(guò)程的支護(hù)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，錨索和錨桿對(duì)于易破碎巖石頂板有很強(qiáng)的支護(hù)作用，可提高煤層巖石穩(wěn)定性，增強(qiáng)頂板巖石承受能力，可有效避免巖石在壓力作用下發(fā)生的變形。

3.3 復(fù)合支護(hù)方式

復(fù)合支護(hù)方式是指將錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)等和棚式支護(hù)方式相結(jié)合而形成的一種新的支護(hù)方式，有利于克服單一支護(hù)方式的不足，發(fā)揮多種支護(hù)方式的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合支護(hù)方式雖然提高了巷道掘進(jìn)效率，但是和金屬支架結(jié)構(gòu)的棚式支護(hù)方式一樣造價(jià)相對(duì)較高，操作復(fù)雜，且操作人員需要彼此配合[2]。

4 支護(hù)設(shè)計(jì)與工藝

北三下組煤2 號(hào)探巷煤層平均厚度4.1 m，巷道跟頂掘進(jìn)，設(shè)計(jì)巷道高度為3.5 m。首先，在頂板完好時(shí)，采用錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)有利于維持巖層的穩(wěn)定性，防止巖石破碎變形。當(dāng)經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造破碎和頂板破碎區(qū)域時(shí)，采用復(fù)合支護(hù)方式。以梯形鐵棚支護(hù)為主，錨桿支護(hù)為輔。

1）根據(jù)懸吊作用理論，錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式如公式（1）：

式中：L 為錨桿長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；L3為錨桿錨入巖層深度，m。

由此得出：頂錨桿長(zhǎng)度L=L1+L2+L3=0.07m+0.47m+0.8 m=1.34 m；

幫錨桿長(zhǎng)度L=L1+L2+L3=0.07 m+0.68 m+0.4 m=1.15 m；

根據(jù)礦方實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿和幫錨桿長(zhǎng)度統(tǒng)一取1.8 m。

2）頂錨桿直徑的計(jì)算公式如公式（2）：

式中：d1為錨桿直徑，m；Q 為錨桿錨固力，取107 kN；σt為錨桿桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取屈服極限值520 MPa。

3）幫錨桿直徑d2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出：d2=L/110=1 800/110=16.36 mm。

永久支護(hù)采用錨棚聯(lián)合支護(hù)形式，臨時(shí)支護(hù)采用EBZ160 懸臂式掘進(jìn)機(jī)錨護(hù)部作為支護(hù)工具。

5 巷道支護(hù)問(wèn)題和對(duì)策

首先，巷道巖石之間黏結(jié)性很差，容易受到施工擾動(dòng)和周圍巖石壓力作用而導(dǎo)致破碎脫落與巷道巖石變形。其次，巖石壓力和變形也會(huì)導(dǎo)致巷道受到不可逆轉(zhuǎn)的損害。

在巷道施工過(guò)程中，需要進(jìn)行地質(zhì)條件、水文地質(zhì)的考察，支護(hù)方式選擇和支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保施工過(guò)程的順利進(jìn)行。往往單一支護(hù)方式無(wú)法滿足實(shí)際情況的需要，經(jīng)過(guò)對(duì)巷道實(shí)際情況的考察評(píng)估，通常多采用復(fù)合支護(hù)方式進(jìn)行巷道支護(hù)。對(duì)可能出現(xiàn)巖石破碎的位置，需要提前做好判斷分析，并針對(duì)性地加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)巷道地質(zhì)形貌設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)斷面形狀，優(yōu)化巖石壓力情況，減少巷道變形情況的發(fā)生，提高巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。同時(shí)，在施工過(guò)程中，應(yīng)該盡量減少對(duì)巷道巖石的破壞，保證巷道巖石平滑，使其保持在同一曲面，分散巖石的壓力，提高巷道巖層穩(wěn)定性，也能有效杜絕巖石發(fā)生變形。通過(guò)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)巷道支護(hù)，能夠促進(jìn)巷道施工工作的安全有序進(jìn)行，降低煤礦開(kāi)采支出，加快煤礦開(kāi)采進(jìn)度[3]。

6 礦壓監(jiān)測(cè)

由于巷道巖石在壓力作用下容易變形和破碎，所以需要對(duì)巷道巖石壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，保證支護(hù)作用的支撐力大于巖石壓力，防止巖石在周圍壓力下發(fā)生破碎、變形。礦壓監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象是巷道頂板、底板及周圍巖石，通過(guò)KJ216型頂板動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能正常傳輸時(shí)則采用人工觀測(cè)，觀測(cè)次數(shù)根據(jù)觀測(cè)距離的不同分為1 次/d或1 次/周，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集，能夠評(píng)估巷道支護(hù)的合理性，從而優(yōu)化支護(hù)方案和工藝，確保支護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

在北三下組煤2 號(hào)探巷巷道開(kāi)口、交叉點(diǎn)、構(gòu)造前后及錨桿支護(hù)巷道，每隔50 m 在巷道頂板中部安設(shè)GYW-60W型頂板離層儀，并實(shí)行掛牌管理。監(jiān)測(cè)期間確保頂板下沉值和下沉速度在合理范圍，若下沉值超過(guò)安全范圍，應(yīng)該及時(shí)確保施工人員安全撤離，加強(qiáng)支護(hù)，確保巷道安全后再進(jìn)行施工。錨桿測(cè)力計(jì)與離層儀配套安設(shè)，錨桿測(cè)力計(jì)型號(hào)為GYM-400，安設(shè)在托板與螺母之間，觀測(cè)周期與頂板離層儀相同。巷道每隔50 m 安設(shè)1 個(gè)圍巖觀測(cè)站，進(jìn)行巖石位移監(jiān)測(cè)。當(dāng)移動(dòng)量小于3 cm 時(shí)，可正常進(jìn)行施工；移動(dòng)量在3～5 cm 范圍時(shí)，需要加大監(jiān)測(cè)頻率；移動(dòng)量大于5 cm 時(shí)，需要停止作業(yè)，加強(qiáng)支護(hù)，確保安全后再施工。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可以確保支護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，保證巷道施工的安全有序進(jìn)行，有利于優(yōu)化支護(hù)方案，為類似工程施工提供一定參考價(jià)值。

7 結(jié)論

隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)發(fā)展、煤炭品質(zhì)要求的不斷提高，煤礦巷道的施工面臨更為復(fù)雜的環(huán)境，巖石破碎和變形問(wèn)題引起人們?cè)絹?lái)越高的重視，煤炭企業(yè)對(duì)開(kāi)采效率和安全生產(chǎn)的要求不斷走高，合理進(jìn)行巷道支護(hù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，要根據(jù)巷道的地質(zhì)狀況進(jìn)行科學(xué)的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，提供巷道施工操作的安全性，促進(jìn)煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)收益最大化。