巷道支护技术在煤矿井下掘进中的应用研究.pdf

煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘0引言当前，煤炭是主要能源之一，在整个能源结构中，煤炭资源的占比超过 60%，在未来一段时间内，煤炭的能源地位也不会发生过大的变化。在煤矿开采过程中，巷道是一个重要的通道，也是保证井下和地面联系畅通的基本要素。为了最大程度地保障井下作业的效率和工作安全性，需要采用必要的巷道支护技术，对现有的煤矿开采和井下掘进作业面进行有效的支护和保护。因此，对煤矿井下掘进中巷道支护技术的应用进行研究，旨在提高井下煤炭开采工作的效率，提升对掘进工作的保障，使其顺利进行。1巷道支护技术的实施背景及意义1.1 巷道支护技术的实施背景随着我国对煤炭需求的大幅增加，煤炭行业的开采强度也在不断增大。很多较浅地层中的煤炭资源，随着开采水平和强度的不断提高，已经逐渐减少。因此，我国的煤矿开采逐渐向更深的地下进行，特别是在 东 部 地 区，许 多 煤 矿 的 开 采 深 度 每 年 都 增 加 约20m。与此同时，各种现代化和自动化设备在煤矿开采领域得到广泛应用。例如，煤炭自动化采掘设备可以使用 PLC 控制系统进行自动化操作。并且各种采掘设备越来越大型化和重型化，导致井下巷道的断面变得更宽。我国很多地区的煤矿资源处于相对松软的破碎岩层区域，在煤矿开采和井下掘进过程中，如果地下软弱、破碎围岩出现坍塌和变形问题，会增加巷道施工的风险性，增加支护难度1。因此，国内外众多工程设计人员和专业学者一直在深入探讨煤矿巷道支护控制技术。1.2 巷道支护技术的应用意义在 煤 矿 井 下 的 掘 进 过 程 中，巷 道 的 断 面 相 对 较大，打破了周围软弱围岩原有的平衡状态。随着二向应力的产生，巷道的顶部和底部出现了应力集中的问题，导致顶底板强度逐渐降低。这最终会导致围岩形状发生变化。为了应对这个问题，可以积极采用巷道支护技术对断面进行专门的防护措施。例如，一方面，可以使用锚杆或锚索进行预应力支护，使巷道的顶底板的二向应力重新转化为三向应力，保持平衡状态，避免引发应力集中现象，降低围岩顶底板变形的可能性。另一方面，在煤矿井下进行掘进时，塑性区的影响范围会不断扩大，受到巷道自身宽度的影响，巷道的稳定性会发生显著变化，巷道两侧围岩的稳定性控制也有一定的难度。为此，可以采用锚网索支护技术对巷道的两侧围岩进行专门的支护。锚索被深深地锚入深层位置，能够防止软弱松动岩石脱落或更重的围岩松动风险。同时，结合锚杆加固技术对破碎煤体进行加固和防护，能够降低煤体和顶底板剥离的风险。2煤矿井下掘进中巷道支护技术要点2.1 围岩内部支护技术2.1.1锚杆/锚索支护技术锚杆/锚索支护技术是巷道支护技术体系中应用最广泛、发展时间最长的一种支护类型。早在 1872 年左右，一些国家就开始应用金属锚杆对煤矿等井下开采巷道进行支护，我国在二十世纪五十年代前后开始使用锚杆支护手段。经过几十年的发展，我国煤矿开采领域锚杆及锚索支护技术的应用理念、支护材料、主要设计方法和质量监测水平等方面都得到了大幅巷道支护技术在煤矿井下掘进中的应用研究马跃，段春雷，王正伟（安徽界沟矿业有限公司界沟煤矿，安徽 宿州 234000）摘 要：随着煤炭需求量的增加，煤矿开采逐渐向更深的地下进行，并采用现代化和自动化设备，导致巷道断面变大，增加了施工风险和支护难度。为了应对煤矿井下巷道施工过程中的围岩破碎、变形等问题，对巷道支护技术的实施背景、应用意义以及要点进行研究。研究结果表明，巷道支护技术的合理应用可以提高煤矿井下掘进的安全性和效率，降低巷道施工风险。关键词：巷道支护技术；煤矿；井下掘进中图分类号：TD353文献标识码：A94CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘优化。与传统的支架支护手段相比，锚杆及锚索支护技术不仅仅是简单地承受围岩压力，而是通过金属结构将围岩牢固固定起来，提高整体的稳定性和安全性，使支架与周围软弱破碎围岩共同承受力。从类型来看，锚杆主要可以分为木质锚杆、金属楔缝式锚杆和金属倒楔式锚杆等几种。木质锚杆结构相对简单，成本较低，但对周围围岩的锚固力较弱，使用寿命较短，适用于井下掘进周期较短、围岩压力较小的巷道掘进类型。对木质锚杆进行专门的防腐处理和定期养护，能提高其锚固力，延长其使用寿命2。金属楔缝式锚杆结构简单，可靠性较高，但其最大的缺点是无法回收利用，对相对软弱的岩层锚固效果不佳。与之相似的金属倒楔式锚杆具有更大的锚固力，可以在巷道支护中使用更长时间，还可以通过在钻孔中注入水泥砂浆来进一步加固，提高使用寿命。另外，还有钢丝绳和砂浆锚杆结构，其应用成本更低，可以直接以废旧钢丝绳作为锚固原料，锚固应力更大，但无法立即实现锚固，需要配合喷浆应用。与其他支护手段相比，锚杆及锚索支护手段更全面，安全可靠性更高，后期巷道支护维修工作相对较少，施工工艺相对简单，有利于进行掘进和平行作业。同时，在快速掘进和机械化掘进与支护时，应用锚杆支护有助于节约工程成本，保障围岩的稳定性，避免其风化和脱落。除了上述常用的锚杆/锚索支护手段，近年来出现了锚索桁架支护技术和横阻大变形锚杆结构，这些锚杆支护手段具有更高的支护力、更强的拉伸能力和更好的结构稳定性，可以降低顶板事故的发生率。2.1.2注浆控制施工技术许多煤矿井下掘进期间，巷道岩体经常存在许多裂缝，不仅会增加周边围岩破碎的风险，也会增加巷道渗水和漏水的可能性。为了应对这个问题，可以采用注浆施工技术，使浆液在煤岩体中充分扩散，提高巷道围岩支护效果。在实际注浆过程中，可以采用缝隙填充方法，这种技术注浆压力相对较低，能有效利用浆液自身的流动性，填充空隙。采用渗透注浆技术要根据周边煤岩体裂缝的发育特点，科学确定注浆压力，既不能对煤岩体造成负面破坏，又要确保浆液能够充分渗入孔隙中。挤密注浆技术能进一步提高注浆压力，使浆液充分渗入煤岩体底层，凝固后可提高煤岩体的紧密性。在实际注浆中，可以使用水泥类、化学浆料和复合类型的注浆材料。这些注浆加固方法有助于提高矿井围岩的稳定性。需要注意的是，在实际施工中需要根据煤矿井下掘进期间周边围岩的空隙情况，合理确定注浆压力和注浆量，避免影响加固效果3。2.1.3卸压控制施工技术卸压控制施工技术与常规类型的巷道支护手段有一定区别。该技术旨在释放和转移巷道周边围岩的地应力，以改善原有的应力环境。常规的卸压控制施工技术主要包括钻孔卸压、安设卸压槽和爆破卸压等手段。钻孔卸压需要在巷道帮部或其他专门位置进行钻孔，形成弱化区域，从而降低周边围岩的应力集中水平，有效减压。应用卸压槽控制技术时，可以直接在煤矿井下掘进和开采过程中使用机械设备挖掘卸压槽，充分释放煤岩体中的弹性能量，实现应力的深度转移。爆破卸压是一种更为简单直接的方法，在掘进过程中进行围岩钻孔，并在底部安装炸药进行集中爆破，便能将原有的高应力转移到围岩深部区域，从而创造相对安全的开采环境。不过实施爆破卸压容易导致井下掘进过程中岩石的失稳问题，需要慎重选用此方法。2.2 巷道表面支护技术巷道表面支护技术主要用于综合保护围岩表面，包括砌碹支护技术、金属支架支护技术、钢管混凝土支护技术等。砌碹支护是发展最早的一种方法，在一些早期煤矿开采项目和大型巷道中仍然得以应用。这种支护方法相对简单，施工操作难度小，成本投入较低，同时具有良好的密闭效果。但砌碹支护是一种刚性被动支护措施，施工强度较大，不利于有效控制施工进度，同时难以适应大断面和大变形巷道的专项支护需求。金属支架和锚杆支护（如工字钢和 U 型钢支架）相互配合，能更好地适应煤矿井下掘进作业期间的复杂环境，支架的搭接效果更好。前期设计合理，连接科学，可以起到良好的支护效果，并且可重复使用。虽然金属支架支护也属于被动支护方法，但金属支架可以根据巷道支护需求进行抗弯截面优化，确保提高受力水平4。钢管混凝土支护技术综合运用了钢管、钢筋和混凝土，形成更加刚性和稳定的支护体系，施工成本相对较低，支护结构的承载性能和稳定性能更好。然而，钢管混凝土支架不可压缩，虽然适用于围岩变形较大的巷道，但支架容易损坏，搭设难度大，成本高，通常应用于煤矿矿山压力相对稳定的井下巷道。2.3 复合支护技术及其他支护手段复合支护技术主要是通过联合应用多种支护手段来实现，既能保证各种支护方法和技术的性能，又能实现优势互补，提高支护效果。例如，可以将注浆技术与锚杆支护技术联合应用，或将棚架支护技术与锚索支护技术复合使用。这种复合支护手段具有更强的适应性，但投入成本相对较高，施工速度相对较慢，需要在前期进行规划和专项设计后再进行应用。预留煤柱是一种相对传统的支护形式，尽管它并不是直接的支护手段，但在支护技术角度上，预留煤柱措施是常见的方法。在井下掘进期间直接预留煤柱可以保证巷道上下段之间的预留宽度，避开支撑压力峰值区域。与其他支护技术相比，预留煤柱的方法95煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘更为简单，但无法保证预留煤柱的位置与支护效果。虽然预留煤柱有利于通风和排水，但也会增加煤矿巷道的维护成本，不利于煤矿井下掘进的自动化和机械化作业。然而，预留煤柱可以与其他支护手段进行复合应用，以确保井下作业的安全水平和质量效果5。3巷道支护技术在煤矿井下掘进中的应用案例巷道支护技术的多样化是因为不同地区的煤矿地下岩层和煤层水平的差异明显。因此，进行煤矿井下掘进时，需要针对不同的井下环境进行优化作业。以大同市 A 煤矿为例，该煤矿位于宁武煤田北端，井田东西宽 11km，南北长 12.5km，总面积达 53km2，生产能力为 4.00Mt/a。该煤矿正处于生产阶段，分为15 个独立采区和 2 个煤组。煤层所处位置复杂，存在较多断层情况，因此在井下掘进过程中存在较大的安全风险，并且存在一定程度的底板水害问题。目前，主要的采掘活动在 12、14 采区进行。矿井采用斜井、单一水平和分煤组（共两个煤组）开拓的方式。主斜井、副斜井以及进、回风立井井筒落底至+1040m 标高后，+1040m 标高基本低于 2#煤底板标高或距离 2#煤较近，这样可以同时考虑全井田的开拓。地质类型划分为中等，2#煤层的水文地质类型划分为中等。以 8405 工作面为例，其位于 2#煤层的 4 采区，工作面 2405 巷（胶运巷）走向长约 1493m，5405 巷（回风巷）走向长约 1540m，可采长度为 800m，工作面倾向长约 197m。煤层的倾角介于 818，平均为 16，煤层厚度在 3.59.7m，平均为 6.58m。工作面的布置呈近东西方向，北部和东部为实煤区，南部为 2406 巷，正在掘进，西部为矿井南翼的三条大巷，已经开拓，需要保留南翼的三条大巷以保护煤柱。在 8405 工作面的井下掘进过程中，综合应用了预留煤柱和注浆加固支护技术。例如，工作面西部的三条大巷预留了三条保护煤柱，提高了巷道的整体支护能力。然而，该工作面存在严重的漏水、渗水和地下导水问题，因此需要进行断层注浆支护施工。根据 A 煤矿以往其他工作面回采过程中的问题，结合回采底板破坏深度等因素进行实测和深度计算，最终确定注浆层位为底板下 30m。针对现有的掘采断层，设计了两组钻孔，共设置了 35 个钻孔。通过断层治理和验证，注浆支护施工的总注浆量为 417t，其中有 8 个钻孔的出水量大于 10m3/h，11 个钻孔的出水量大于 5m3/h，注浆的压力为 4.5MPa。除了注浆加固支护技术，该煤矿还采用了锚网索喷支护方法。按照“三高一低”的原则，进行锚杆和锚索的安装，悬挂钢筋网，并进行混凝土喷注，各个工序有序进行。在顶部锚杆的搭设中，采用现场制作原则，结合设计方案确定了锚杆的长度和锚杆之间的距离，实现了多角度和多高度的锚杆安装。在打孔后及时清除孔内杂物，采用锚固剂将锚杆推入孔内，确保锚杆与巷道围岩紧密衔接，锚杆的外露长度控制在 50mm 以下，以梅花形布置为主。完成锚索的安装后，悬挂钢筋网，按照设计要求进行预拉调直钢筋，使其形成稳定的整体结构，最后进行混凝土喷注进行加固。A 煤矿在巷道支护施工中没有出现工作面突水、渗水和涌水等问题，整体支护水平较高，围岩的稳定性更好。煤矿井下的掘进和工作面的回采能够有序进行，其间没有出现巷道顶底板或两侧煤体、岩体剥落的问题。4结语煤矿工程安全至关重要，因此进行煤矿井下掘进时，同时进行巷道支护施工是十分必要的。前文对巷道支护技术的应用背景和意义进行研究介绍，并就主要的巷道支护技术类型及实际施工案例进行分析，以期为我国煤矿井下掘进巷道支护技术的高效应用提供参考。参考文献：1李鸿.大断面巷道支护技术在煤矿工程中的应用探析J.当代化工研究，2023（5）：86-88.2杨康.综采工作面回撤巷道支护技术优化研究J.中国煤炭工业，2022（4）：68-69.3张欣.巷道支护技术在煤矿井下掘进中的应用J.山西能源学院学报，2018（1）：23-25.4任高岭.巷道支护技术在煤矿井下掘进中的应用J.石化技术，2020（9）：294-294+298.5张晓国.巷道支护技术在煤矿井下掘进中的应用J.当代化工研究，2020（1）：50-51.作者简介：马跃（1989-），男，汉族，安徽宿州人，本科，工程师，从事煤矿安全技术管理工作。责任编辑：张梦96