劉 峰

（冀中能源股份有限公司內(nèi)蒙古分公司嘉信德煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

自工業(yè)革命以來，煤炭就已成為工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾茉?。煤炭通過燃燒過程的化學反應(yīng)釋放熱能，給工業(yè)生產(chǎn)和很多領(lǐng)域提供必要的能量[1]。雖然受儲量有限的限制，人類一直在尋找煤炭的替代品。但短時間內(nèi)煤炭仍然是最重要的能源材料。為了獲得足夠支撐全社會正常運轉(zhuǎn)的能量，世界各大煤礦每天都在進行煤炭的開采[2]。對大多數(shù)煤礦而言，煤炭都深埋于地下，必須通過開掘挖掘井并在井下完成采煤作業(yè)。采煤作業(yè)的過程是在礦井下一邊掘進一邊挖掘，這就要求煤礦井下必須具有足夠的安全系數(shù)。為了避免礦井塌方，確保井下作業(yè)安全，掘進過程中都要配置支護裝置[3]。有效的支護技術(shù)不僅可以確保井下作業(yè)人員的安全，還可以加快煤炭開采的效率。該文以此為出發(fā)點，進行煤礦井下采煤掘進過程中的支護技術(shù)研究，以期更好地服務(wù)于煤礦資源開采。

1 煤礦井下采煤掘進的支護方案選擇

煤礦井下的采煤掘進，必須提供有效的支護方案，才能增強掘進巷道的牢固性，確保作業(yè)人員的人身安全和掘進作業(yè)的順利完成。為了實現(xiàn)煤礦井下的有效支護，一般可以采取動態(tài)支護和固定支護2種方案。

煤礦井下掘進過程的動態(tài)支護方案的示意圖如圖1所示。圖1中的掘進機前方帶有掘進裝置，通過鉆挖擊打等方式不斷挖掘煤層，從而拓展出前方掘進空間。掘進機配置了機載支護結(jié)構(gòu)，并有支撐桿撐起，遮蔽掘進機的上方，形成支護?？梢钥闯?，煤礦井下的動態(tài)支護方案具有較大的靈活性，因為掘進機械是可以移動的，所以在其上支護的防護系統(tǒng)可以隨掘進機械的移動而移動。該動態(tài)支護方案可以隨著掘進作業(yè)的位置變化而靈活地調(diào)整自己的位置，在需要防護的地方組建支護結(jié)構(gòu)。但受掘進機械的體積、高度、載質(zhì)量等條件因素限制，動態(tài)支護方案的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支護強度無法達到較高水平，如果要使動態(tài)支護方案有足夠的強度和穩(wěn)定性，就需要更大的載質(zhì)量，可能會超出掘進機械的承載能力，從而損壞掘進機械的本體。

圖1 煤礦井下的動態(tài)支護方案

如圖1所示，動態(tài)支護是指在采煤掘進的過程中，一邊搭建支護結(jié)構(gòu)，一邊采煤掘進作業(yè)。在該支護方案下，支護結(jié)構(gòu)的搭建是通過掘進機的車載裝置完成的。而隨著掘進距離的不斷延伸，支護結(jié)構(gòu)也不斷隨掘進機的前進而整體前移。同時，支護結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)掘進過程中巷道形狀的改變而做出適應(yīng)性調(diào)整?？梢?，動態(tài)支護方案的優(yōu)點是支護結(jié)構(gòu)形成速度快，缺點是支護結(jié)構(gòu)整體強度較差，遇到嚴重的塌方事故，安全系數(shù)會大幅度降低。

另一種方案是穩(wěn)定支護，即在已經(jīng)挖掘的巷道空間內(nèi)，根據(jù)巷道空間的形狀嵌入支撐桿、覆蓋支撐網(wǎng)，并通過噴涂特殊材料強化巷道壁表面，從而形成穩(wěn)定的支護方案。該方式下的支護結(jié)構(gòu)的用料與巷道截面密切相關(guān)。常見的巷道截面的形式如圖2所示。

圖2 煤礦井下巷道的形式

從圖2可以看出，煤礦井下的巷道有不同的形狀，但大致可以分為3種，拱形的巷道形狀、梯形的巷道形狀和矩形的巷道形狀。支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則是要緊貼巷道壁面設(shè)置支護結(jié)構(gòu)。因此，巷道的結(jié)構(gòu)形狀決定了支護結(jié)構(gòu)的形狀。

以矩形的巷道形狀為例，該文的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 矩形的巷道形狀支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

從圖3可以看出，該文支護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的組成單元一共分為3類，第一類如圖3中帶有網(wǎng)格的矩形條所示，這是網(wǎng)狀的金屬防護網(wǎng)，可以起到保護頂部礦層的作用。一旦頂部礦層剝離脫落，就可以被金屬防護網(wǎng)兜住，避免掉落傷人。但僅使用金屬防護網(wǎng)，支護強度不夠，需要配置第二類支護單元，如圖3中的黑色柱狀條所示，即支護錨桿。支護錨桿深入頂部煤層，底部接觸地面，支撐作用更強大。金屬保護網(wǎng)下方薄薄的一層是第三類支護單元，即涂覆料，起到補充保護的作用。

2 煤礦井下支護方案的關(guān)鍵參數(shù)計算

在整個支護體系中，3類支護單元都會發(fā)揮各自的作用。其中起到最強支護作用的是支護錨桿，它不僅具有對巷道整體的支護效果，還對金屬防護網(wǎng)和涂覆層起到二次支護的作用。因此應(yīng)該注重對支護錨桿進行參數(shù)計算。

2.1 第一模型法參數(shù)計算

支護錨桿關(guān)鍵參數(shù)計算的常見方法有2種，分別稱為第一模型法和第二模型法。第一模型下的支護錨桿參數(shù)計算中最關(guān)鍵的就是錨桿的長度。錨桿長度的合適值是要能深入頂部煤層，才能起到牢固支護的作用。但又不能深入太深，否則可能會降低頂部煤層的強度，其計算方法如公式（1）所示。

式中：L為第一種模型下計算出的支護錨桿的長度；N為第一種模型下頂部煤層的強度系數(shù)；W為第一種模型下采煤掘進作業(yè)的寬度，根據(jù)第一種模型的計算原理，其合適值為1.49。

根據(jù)上述計算模型，可以得出第一種模型下的支護錨桿的長度為2.33m。

公式（1）除了可以計算矩形巷道的支護錨桿長度，還可以測量拱形巷道的支護錨桿長度。拱形巷道中支護錨桿的邊界位置和中心位置的高度存在差異，因此支護錨桿的合理長度也不相同。邊界位置的支護錨桿長度計算仍然采用公式（1），只是強度系數(shù)N的取值會發(fā)生變化，從而可以將邊界支護錨桿長度計算到合理數(shù)值。

為了確定不同巷道寬度下，同一界面內(nèi)排布多少根支護錨桿為合理，需要計算相鄰錨桿間的間距。先假定多根錨桿均勻排列，則相鄰支護錨桿間的間距如公式（2）所示。

式中：M為第一種模型下相鄰支護錨桿間的間距；L為第一種模型下計算出的支護錨桿的長度。

按照該方法來計算，如果支護錨桿的長度為2m，那么相鄰支護錨桿間的間距不應(yīng)超過1m。

2.2 第二模型法參數(shù)計算

和第一種模型的計算方法相比，第二種模型的計算過程有所不同，其支護錨桿長度的計算如公式（3）所示。

式中：L為第二種模型下的支護錨桿的長度；K為第二種模型下的安全系數(shù)；H為第二種模型下支護錨桿嵌入點附近的頂部煤層厚度；J為第二種模型下支護錨桿的嵌入深度；T為第二種模型下涂覆層到地面間的支護錨桿長度。

按照第二種模型法計算，支護錨桿的長度計算結(jié)果為2.43m，比第一種模型法計算結(jié)果多0.1m。

第二種模型下，相鄰支護錨桿間的間距如公式（4）所示。

式中：M為第二種模型下相鄰支護錨桿間的間距；Q為第二種模型下支護錨桿的支撐力；r為第二種模型下煤層的容重系數(shù)。

3 煤礦井下支護方案的測試試驗

上述研究工作對采煤掘進過程中的動態(tài)支護方案和固定支護方案進行了對比和分析，該文更傾向于選擇穩(wěn)定支護方案。原因是該支護方案的支護穩(wěn)定性更好，更有利于頂部煤層的穩(wěn)定和巷道內(nèi)掘進作業(yè)工人的人身安全。在該基礎(chǔ)上，以固定支護方案為重點研究對象，分別按照第一模型法和第二模型法計算關(guān)鍵參數(shù)，包括支護錨桿的長度、支護錨桿間的間距等。下面將針對上述研究工作進行試驗驗證，以考察該文支護方案設(shè)計的合理性和實用性。

第一組試驗考察該文支護方案下頂部煤層強度的提升程度變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 支護方案下的頂部煤層強度提升程度變化

根據(jù)圖4中2組曲線的變化情況可知，當采用動態(tài)支護的方案時，7個測試點的頂部煤層強度提升40%～50%，頂部煤層強度得到了明顯改善。當采用固定支護的方案時，7個測試點的頂部煤層強度提升都超過了55%，最大的突破了70%。通過二者的比較可以充分證明，固定支護方案可以取得更好的效果，確保采煤掘進作業(yè)的順利進行。

進一步比較執(zhí)行2種支護方案的掘進效率，如圖5所示。

圖5 支護方案下的掘進效率提升程度

從圖5中2類矩形的對比可以看出，采用動態(tài)支護方案時，掘進作業(yè)的效率提升程度在70%左右的水平波動。采用固定支護方案時，掘進作業(yè)效率的提升程度在85%左右的水平波動。表明采用固定支護方案，井下采煤掘進作業(yè)的效率提升更明顯。

4 結(jié)論

煤礦井下作業(yè)必須注重安全問題，尤其要避免頂壁和側(cè)壁煤層的脫落和崩塌。為了有效解決該問題，必須在掘進過程中進行支護處理。該文對采煤掘進過程中的動態(tài)支護方案和固定支護方案進行了對比和分析，以固定支護方案為重點研究對象，分別根據(jù)第一模型法和第二模型法進行了關(guān)鍵參數(shù)計算，包括支護錨桿的長度、支護錨桿間的間距等。試驗結(jié)果表明，固定支護方案的支護效果更好，煤層強度和掘進效率都得到了更明顯的提升。