井下快速掘进支护分析

井下快速掘进支护分析

孙斌

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西  延安  727307)

摘要：社会的发展对于煤炭资源的需求不断增加，煤炭是中国重要的能源支柱，直接影响国民经济的发展。随着机械化采煤技术的不断发展，采掘失衡的矛盾突出。近年来，大功率掘进设备的应用使得掘进速率和支护效率失衡的问题更加突出，而各环节协调运行是缓解矛盾最有效的手段。提高支护效率以及支护强度是协调掘支矛盾最直接的措施，针对支护强度无法满足掘进需求的问题，优化支护方案，提高了支护效率，解决了掘支矛盾，为相关研究提供了依据。

关键词：煤矿；快速掘进；支护分析

引言

为满足井下快速掘进支护需要，不仅需要关注快速掘进技术，同时还需要关注巷道围岩基本属性，进而解决传统支护技术存在的不足，更好地实现井下快速掘进支护。为尽可能提升煤矿井下快速掘进支护水平，针对东曲煤矿出现的问题，提出了新型支护方法并进一步展开分析。

1煤矿巷道概况

某矿井在设计时，考虑到各种因素影响，确定每年开采能力为240万t，实际在经历了多年的井下开采后，其内部由于部分已开采形成了大量老窖。现在此种情况下，由于矿井的内部开采方式仍然较为传统，导致开采效率较低，不能满足实际任务的需求，所以要对目前的开采技术进行升级以提高开采效率和保证开采时候的安全性。目前为提高开采效率，更加方便有效地进行掘进，矿井内一般主要采取快速掘进技术，此种技术对相关的配套技术提出了更高的要求，为了应用此种技术，必须对配套支护技术进行升级。除此之外，由于开采过程中最先开采的煤层埋藏较浅，对支护技术的要求也不高，但随着开采的不断继续直到后期，开采的煤层深度变深，周遭的地质环境变得复杂，围岩的状态也差异较大，对支护技术要求随之增高，为了满足开采的安全有效进行，巷道支护工艺的升级也刻不容缓。针对上述情况，以矿井内部巷道快速掘进支护技术为基础进行分析探讨。通过矿井下的回风巷道为对象来进行研究，其煤层厚度在8.5~16.23m之间，平均厚为13.68m，其煤层倾角在4.3°~13.2°之间，平均在9.4°。巷道的截面为高度约3.5m、宽度约5.2m的矩形。通过实际地质的分析后，了解到此处巷道的围岩情况较为复杂，有较多的断层、褶曲等现象，造成了周围的围岩状态较为松散，受力后易出现破碎，使得一定程度下巷道的支护变得更加复杂。

2支护方案的优化设计

2.1传统支护方法

采用的传统支护方法，具体选择左旋螺纹钢材料的锚杆用于巷道顶板处，长度、直径分别为2.4m、22mm，锚杆的排距和间距分别为1m、0.9m，具体在W型钢带处布置锚杆，同时使用树脂药卷和高强度托盘，型号分别为K2335（Z2360）、150mm×150mm×10mm。顶部设置有2m×1m规格的钢筋网，使用的钢筋规格、网孔尺寸分别为6mm（直径）、100mm×100mm。巷道左帮联合支护使用塑料网和玻璃钢锚杆，锚杆的长度、直径分别为2.2m、20mm，排距和间距分别为1.0m、1.2m，同时使用树脂药卷和塑钢托盘。巷道右帮选择左旋无纵筋螺纹钢作为锚杆，长度、直径分别为2.4m、22mm，排距和间距分别为1.0m、1.2m，采用树脂药卷和高强度托盘，规格与顶板相同。该煤矿使用混凝土铺设巷道底板，厚度、规格分别为20mm、C25。围绕两帮及顶底板变形量进行分析，同时对锚杆锚固力在不同部位的变化情况进行对比，可以确定上述支护方法能够基本满足案例煤矿安全生产需要，但由于存在偏大的顶板离层量数值，该支护在安全方面存在一定不足，无法满足井下快速掘进支护。

2.2支护理论

巷道开挖后，原岩应力遭到破坏，原三向受力的稳定岩体变成不稳定的简支梁受力结构。受人工扰动的影响，顶部煤体裂隙发育明显，离层现象严重，导致顶煤无法作为直接承载体承担上覆岩层的重力。在煤层和岩层的交界处出现离层现象，离层处形成多个不整合面的梁体结构，较低的抗弯、抗压强度使得围岩在长时间应力作用下发生塑性破坏，临近煤层的岩层失稳将继续导致上覆岩层失稳，如此循环往复，导致离层错动严重，岩层间的不协调变形加快了围岩的破坏，如果支护强度过低，围岩变形加剧，会影响掘进工作的正常进行。有效支护的目的是通过锚杆锚索的预紧力，促使破碎岩层和完整岩层形成一定厚度的锚固层，支护作用范围应该覆盖巷道掘进的影响范围，处于锚固区的多层岩体形成厚度连续、完整的简支梁结构。虽然锚固层整体力学强度不及较硬岩层（砂岩、灰岩）的强度，但是大于松软煤体的强度。锚固层整体强度的增大，使它有效承担了上覆岩层的重力，减少了离层现象的发生，有效控制了围岩的变形。由此可见，支护锚杆贯穿的岩层厚度越大，形成的锚固层稳定性越高。在足够的预紧力作用下，通过补强弱岩层的稳定性协调不同岩层间的整体变形，实现了对不同埋深岩层的联动控制。

2.3支护方案的优化

基于上述讨论，采用长锚固构建连续锚固层的支护技术，降低了支护密度，增加了支护厚度，控制了巷道围岩变形。模拟不同长度锚杆支护作用下围岩的应力变化状况，为了更直观地反映结果，将模拟绘制成围岩应力变化曲线。从曲线中可以看出，垂直应力变化曲线存在明显拐点，当锚固长度为3.5m时，垂直应力值为11.5MPa；当锚固长度增加至4.0m时，垂直应力降低至10.3MPa；当锚固长度为4.5m时，垂直应力值达到最大12.3MPa。水平应力随着锚固长度的增加呈现降低的趋势，当锚固长度为3.5m时，水平应力值最大为13.8MPa；当锚固长度为4.0m和4.5m时，水平应力值分别为11.6MPa，11.2MPa。从围岩受力状况分析，当锚固长度为4.0m时，围岩水平应力和垂直应力值相近且较小，为支护方案的首选。

3实际应用效果分析

3.1支护效果分析

当其他条件相同时，锚杆的支护阻力值与桩径呈正相关，即直径越大，支护阻力及支护体系刚度越高，支护效果越好。另外，考虑到锚杆直径与井径之间的适当配合，根据现有的研究结果，在6～8mm之间，也就是树脂环向厚度为3～5mm时，锚固力更强。从经济性角度来看，钻头直径越小，造价越低。根据施工机械的影响，目前最常见的钻孔孔径为28～32mm，为了减少树脂的消耗，钻孔孔径选择28mm，因此，可以选用4种规格的锚杆，即16mm，18mm，20mm和22mm。对隧道开挖后的围岩变形情况进行实时监测，从而判断隧道开挖后的支护效果。两帮最后位移值为101mm，顶板下陷79mm，底鼓18mm，说明在保证进尺速度的情况下，能很好地控制巷道的变形，保证整个巷道围岩的稳定性。尤其是从开挖至变形稳定阶段，隧道的地表变形量一直较小，且大截面结构基本保持完好，可保障人料运输的安全。

3.2巷道开口施工方法

（1）在施工前，地测科、防水科应事先对洞口位置进行标定，并对中腰线进行标定，严格按照中腰线进行施工；（2）在开口之前，应加固靠近开口位置10m以内的原有巷道，在开口处的交叉部位，对原有的巷道进行补锚，必要时再进行二次加固，并将各种管道、电缆接地，用废胶带等进行防护，以防工程被破坏；（3）在开孔之前，要预先安装局部通风机，安装风管，并准备好各种支撑材料；（4）为确保开口巷道的成型效果，采用锁边工艺。

3.3特殊条件下的施工方法

（1）在机械化施工中遇到断裂，当断裂高度小于0.5m，且岩体硬度小于掘进机切割能力时，必须强制截断；当断裂高度超过0.5m或岩石硬度超过了掘进机的截割力时，必须中止掘进机的截割机，制定专门的安全技术措施，采取风镐与放炮相结合的方法对这一区域进行加固。（2）在巷道施工期间遇到地质条件改变时，会导致顶板上覆盖的岩层较薄，锚索的预应力不能满足要求。根据实际，采用Φ18.9mm×6300mm或Φ18.9mm×5300mm的锚杆进行支护，并在现场做好记号，以便随时观察顶板的动态。

结语

新的支护工艺提高了巷道围岩支护的稳定性，增强了开采时的安全性，在维持一定成本的基础上，减少了维修成本，提高了开采效率，为企业实际开采生产取得了良好的效益，提升了作业效率、保证了作业质量、保障了工人权益。

参考文献

［1］张忠国.煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术［J］.煤炭科学技术，2016，44(1)：55-60．

［2］韩阳红.煤矿巷道高效掘进技术分析［J］.能源与节能，2022(8)：125-127.

［3］田明富.采矿工程巷道掘进技术与支护技术分析［J］.西部探矿工程，2022，34(7)：174-176.

作者简介：孙斌（1990.8-），男，陕西大荔人，汉族，工程师，毕业于西安科技大学，本科，现任陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿掘进六队技术副队长，主要从事矿井采掘技术管理工作。