煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究.pdf

煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究朱绍廷，张保辉（山东华新建筑工程集团有限责任公司，山东泰安2 7 12 19）摘要：在煤矿掘进时，顶板安全事故频发，严重影响安全和施工作业环境。维持煤矿掘进巷道顶板的安全稳定、及时进行顶板断面优化，对施工具有推动作用。本文从煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化的重要性及原因、煤矿掘进巷道顶板稳定的影响因素、顶板事故预防的重要举措及断面优化措施四个方面进行阐述。关键词：煤矿；掘进巷道；顶板事故；断面优化；预防措施中图分类号：F406.3;TD327.2文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)10-0 0 0 7-0 3在地下矿井采煤作业中，伤亡事故频发，不仅造成巨大的经济损失，还严重威胁社会稳定。在挖掘巷道过程中,顶板岩性不同，顶板事故危害程度也不同，高断面的优化和结构设计（主要对断面形状进行优化）、支架维护形式也是重要的影响因素，不同场合应采用不同的支架形式。煤炭挖掘前，必须做好充分的施工准备，满足施工设计要求,考虑各种影响因素，严格控制事故。1煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化的重要性及原因1.1事故发生原因煤矿掘进巷道顶板事故发生原因如下：在根据煤炭强度和层理结构年限确定顶板断面尺寸和支护形式的前提下，由于设计不全面、不准确或受煤炭结构变动等不可抗力因素影响，顶板断面发生断裂或破碎、巷道发生断层，导致事故，威胁生命财产安全和社会安定。1.2煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化的重要性根据研究断面形状和尺寸、支架支护形式和各类设计参数量化，对巷道内部情况予以掌握，把握基本的受力和变形情况，及时修正和重新计算。开采深度增加，研究人员对地下情况的掌握难度加大，需深度钻研开采深度的地质情况，了解塌方、渗水和瓦斯爆炸等事故的基本情况，为施工做足准备，同时更要加强工程监督。做好煤矿掘进道的顶板事故预防和断面优化工作意义重大，对减少事故伤亡和社会面危害极为重要。因此，有必要深刻研究如何开展煤矿掘进巷道顶板事故预防和断面优化工作。2煤矿掘进巷道顶板稳定和断面的影响因素2.1巷道顶板稳定性相关因素首先，支护方式影响掘进巷道顶板的稳定性。如果支护方式与巷道所处地质条件不匹配，会导致支护强度无法满足实际工作要求，巷道支护承载力小于实际荷载，影响实际的巷道支护效果。如果矿山压力很小，巷道围岩能保持坚固状态，需要选择梯形、矩形断面等巷道形状。在工程开展过程中,煤矿支护技术水平逐步提高，煤矿断面形式基本以半圆形、拱形等为主，运输巷道、车厂巷道等较为常见。其次，顶板岩性承担荷载影响顶板稳定性。在挖掘巷道过程中，保证其连续完整，相对存在断层和断裂的巷道，这将大大增加顶板的承载力度。最后，施工人员的工作能力和专业度构成了外在可控因素。实际施工工作是否落到实处、是否根据施工方案和设计图纸工作、实际安装工作中锚杆的锚固力是否达到施工安全标准、是否合乎规范等都需要提前评估和掌握。煤矿生产技术水平不断提升，越来越多的煤矿巷道掘进以机械化掘进方式为主，使巷道断面更科学合理。运用该掘进方法，不仅可以提升施工效率,还能让施工变得简单，提升巷道断面适用性，保障施工人员安全2 。2.2巷道断面的影响因素巷道断面的主要形状分为折线型（不规则形状、四边形等)和曲线型（圆形、椭圆形和拱形等）。影响因素包括以下几方面：巷道地压方向与大小、巷道年限与所处地块及使用用途、支架材料和支架形式、掘进巷道工具设备及掘进方法等。3掘进巷道断面形状的优化设计3.1断面形状优化设计在不同情况下，结合结构性能和生产成本经济性相协调原则，在不同承压条件下选择不同形状断面。比如，在巷道作用在顶板及斜上方压力较小时，可以选择四边形断面（矩形和梯形等）；在顶板和侧上方压力78较大时，可以选择有效控制巷道围岩变形的封闭性断面形状,如椭圆形和圆形等。根据顶板及侧上方的压力状况判断,在这个过程中经济性是重要参考指标,经过设计分析与实验验证以及成本核算，实现所选方案最优化。3.2支架材料及支护方式优化在选择巷道的断面形状时，掘进巷道时采用支架的材料特性及支护方法是必须考虑的因素。U型钢支护方案可以选择圆形、椭圆形或拱形的断面形状。采用工字钢支护时，相应地选择梯形巷道断面。一些煤矿引进了澳大利亚的锚杆锚喷支护方法，则应选择梯形的巷道断面。3.3巷道掘进设备及掘进方式优化首先，巷道掘进时要有配套的施工工具，设备工作方式会影响掘进巷道的断面形状，设备不同、方法不同,形状也会存在差异。现阶段，我国煤矿开采设备采用钻眼爆破法进行巷道挖掘，适用范围广，可以应用于大多数的巷道断面。结合该方法，锚杆锚喷支护方式大大提高了巷道挖掘工作效率，这是科学技术进步的产物，高科技的实用新型设备及配套使用方法有了较好的应用成果。数字模拟技术、图像采集处理技术和“3S技术的应用卓有成效3 3.4科学技术在巷道掘进中的优化数字模拟软件和图像采集及处理技术可以对巷道断面的形状角度（弧形底角还是常规直角）进行勘测和计算，通过信号传输到终端设备，得到受力情况和变形情况的精确信息，并在此基础上合理计算得到正确的实验结果和结论，通过各类仿真模拟软件对画出的模型进行仿真分析,得到实验模拟结果。总之,弧形底角的断面优势高出直角断面40 余个百分点。剪应力和正应力都得到降低，巷道顶板的下沉情况和底鼓状况也得到良好改善。巷道掘进时将会有更多科技应用与实践，这对优化巷道断面极为关键。3.5优化巷道结构预防巷道冒顶煤矿巷道掘进时，要确保悬吊和加固拱作用得到发挥，满足正常荷载和技术要求，选择组合拱通常可满足这一要求，组合拱可以在更大程度上承受冒落岩层和松软岩层的荷载，增加岩体硬度，使周围岩层变形达到加固拱形结构的目的，对岩层加固大有裨益。锚杆无法起到悬吊作用，因为巷道结构与岩层间的倾向夹角过大，如果不满足设计要求，则要将锚杆打人岩层内部，锚杆打入方向与巷道拱形结构边缘处达到垂直，锚杆长度需要结合巷道状况确定，以此提高对岩层厚度的关注程度。83.6重视施工人员的专业性一些安全事故由作业人员的操作不当引起，部分施工人员没有经过专业训练，不具备科学完善的施工知识体系，仅凭借个人经验操作。因此，要在作业前聘请专业技术和研究人员对施工及管理人员进行培训，构建完整的知识体系并考核，获得施工资格才可进行煤矿巷道挖掘。在具备一定的安全知识和掌握一定的理论体系后，可以大幅度防止生产事故，快速推进工程，减少掘进巷道断面问题。4煤矿掘进巷道顶板事故预防及措施顶板在受到围岩软化和破碎产生挤压作用后，巷道会出现底鼓，巷道支护施工的作用便体现出来。巷道支护必须遵循一定原则，要根据具体施工环境和用途选择正确的巷道支护方式，从巷道支护的设计原则和掘进巷道支护形式两方面阐述。4.1巷道支护原则巷道支护原则是坚持“护”作为首要原则，在做好“支”的前提下进行维护和保护。通过带压和让压，选择锚杆与锚索支护,有效控制围岩受压和变形等情况，维持煤矿巷道顶板不会断面,阻止底鼓现象。反之，要加强支护,实时检查支护是否良好，是否有损坏或破裂，减少后续因支护断裂造成顶板受力不均，引起巷道灾难或事故。4.2掘进巷道的主要支护形式4.2.1预留煤柱支护预留煤柱支护较为传统，根据媒介承压能力与稳定性对煤柱进行预留。巷道上区作为运输平巷，巷道下区作为回风平巷，在巷道上区与巷道下区之间位置预留一定宽度的煤柱。技术要求不高，通风排水较好，但生产成本较高、经济性较差，后期维护工作较难。煤柱承载负荷不均匀时,压力传输不稳定，直接影响其他巷道的施工作业和相邻煤层的开采工作。因此,该支护形式具有技术上的可行性，但同时要承担较大的初期投资和后期维护费用。图1为预留煤柱支护方式(。2图1预留煤柱支护4港道中心线594.2.2工字钢和U型钢支架支护工字钢和U型钢常用作支护型钢的支架。不同截面形状的使用目的不尽相同。其中，工字钢的用途是制作刚性支架，刚性支架的韧性和抗剪应力俱佳，一般用在断面形状为椭圆形或圆形等弧形巷道中。U型钢的用途是制作弹性支架,应用在断面形状为折线形的巷道中U型钢支架结构相对简单，承载力强大，在实际中得到大规模应用；同时，其还具有可缩性，收缩状态下的承载力是其实际承载力，刚性状态下的承载力为其极限承载力，在实际使用过程中，要确保设计标准按照实际承载力计算，这样才能保证合格的施工作业。因此，实际施工时要根据用途和作用选择对应的支架支护形式，确保支架充分发挥作用，真正达到支护效果。图2 为U型钢支架支护方式。FA图2 U型钢支护4.2.3混凝土喷涂支护混凝土喷涂支护操作时将混凝土喷射在施工作业面上，按照合适的比例进行配制，该方式操作简单、成本较低,在工程中较为常见，可以起到一定的支护效果，但混凝土自身的抗拉能力不强，支护效果不具有优势，作用不及上述两种方式，只适合在岩层承压能力较小的区域使用，在承担荷载较大的区域可能会出现破碎断裂,进而导致塌，常与其他方式配合使用。图3为混凝土喷涂支护方式。配筋砼面板混凝土喷射面层4.2.4锚杆锚索支护将锚杆打人岩层中,使其与周围岩层成为整体，可以让岩层承担起保护自身的责任，周围岩层从载荷体转换成为承载体。比起其他加固方式，其可以有效提高巷道稳定性，将其控制在安全范围内。图4为锚杆式支护方式。锚索一锚杆800007500一图4锚杆式支护5结语实际施工过程复杂，从源头设计、施工过程、监督管理到后期检查，各环节缺一不可，采用合适的支护方式和优化后的断面形状，将煤矿掘进巷道顶板事故降到安全范围，这不仅保障了施工主体安全，还保障了施工人员安全。未来应加大科技创新成果的投人和使用力度，优化施工方案和监督管理体系。参考文献：1闫大利.煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究J.矿业装备,2 0 2 2(0 2)：56-57.2刘耀宗.煤矿掘进巷道顶板事故预防措施J.矿业装备,2 0 2 1(0 5):112-113.3冯捷.煤矿掘进巷道顶板的事故预防及断面优化问题分析J.石化技术,2 0 19,2 6（0 8）：2 2 8+2 3 1.4邵朱军.煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化思路构建J.资源信息与工程,2 0 18,3 3（0 1）：10 6-10 7.作者简介：朱绍廷（19 8 8-），男，山东新泰人，本科，助理工程固定钢筋师，研究方向：立井井筒快速施工与质量控制、煤矿掘进巷道工艺及支护。土钉锚杆与该层土钉间隔布置000480000二图3 混凝土喷涂支护9