煤矿掘进工作面支护技术应用

［摘要］针对目前煤矿巷道支护存在操作不规范、效率差的问题，对煤矿掘进工作面的支护技术进行了研究。基于目前煤矿广泛应用的锚杆支护技术，对其工作机理进行了分析，结合实际工作经验以及相关生产规范，对锚杆支护的设计方案、施工工艺、注意事项以及安全监测技术方案进行了系统的分析总结。应用实践表明，该方案可实现对煤矿生产中巷道支护的规范指导，且具有操作效率高、详细全面等优势，能够有效保障煤矿巷道支护的安全可靠。

［关键词］煤矿；巷道支护；锚杆；安全监测

引言

煤炭是我国最主要的一次能源之一，我国煤矿生产的主要形式是地下开采。近年来，随着综采技术的不断发展，煤矿开采深度以及开采强度不断提高，所面临的开采环境、地质问题也越来越复杂。在煤矿井下回采过程中需要挖掘大量的巷道，巷道的通畅以及围岩的稳定性关系着煤矿的生产稳定及安全稳定，为了保障煤矿生产稳定安全，需要安全可靠的巷道支护技术。同时，随着综掘机的发展与应用，掘进以及开采工作的效率提高，也需要更为规范高效、安全可靠的支护技术［1-2］。为此，针对目前实际生产中存在的支护操作不规范、效率差的问题，结合相关资料以及生产规定，对井下掘进巷道的支护原理及技术进行了研究，系统分析了锚杆支护技术的工艺，总结了锚杆支护的规范化设计、施工、监测方案，提高了煤矿掘进支护的效率以及可靠性，保障了煤矿企业的安全生产，为企业增加了经济效益［3-5］。

1支护技术介绍

煤矿巷道一般在矿井深处进行挖掘，深度从几十米到几百米不等，工作环境相对复杂［6-7］，在巷道掘进过程中，矿山地质结构容易发生变形，使巷道围岩的压力产生变化，引起顶板的垮落，因此需要对巷道进行支护。煤矿巷道支护技术经过漫长的发展，经历了从木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护方式过程。锚杆支护是目前发展较为完备，应用较广的巷道支护技术。锚杆支护主要利用金属、木材、聚合物或其他材料制造的杆柱，打入围岩预先钻好的孔中，其头部及杆体依赖于锚固剂黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起，尾部通过托板与螺母进行约束，通过锚杆改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带，对围岩产生加固作用。利用锚杆与围岩共同作用，具有抗拉和抗剪效应，能够达到维护巷道稳定的支护目的。锚杆支护具有成本低、快捷方便、适用范围广、稳定可靠的优势。锚杆支护由锚杆杆体、托板、螺母、锚固剂以及金属网共同构成。锚杆的结构原理如图1所示。

2锚杆支护设计

2.1锚杆支护机理

锚杆支护的作用机理主要包括锚杆的悬吊理论、挤压加固拱理论以及组合梁理论等。锚杆的悬吊作用是利用锚杆将软弱不稳定的顶板或者破碎松动的岩石吊挂在软弱层或者松动区之外的巷道坚固稳定层，确保顶板或者破碎岩石不至脱落甚至坍塌。锚杆的挤压加固拱作用是指在掘进巷道支护过程中，对锚杆进行等间距布置并施加预应力，锚杆之间会存在挤压，形成压缩区域。当在拱形巷道中安装预应力锚杆时，锚杆形成的圆椎压缩体将交错重叠形成承压拱，既可承受上方破碎岩石的载荷，又产生环向应力，使围岩受压状态从单轴或者双轴变为三轴，改善了承压拱应力状态。组合梁作用适用于层状岩石，是指锚杆将层状岩石连结紧固在一起，产生组合梁效应，对岩层的离层和滑动具有约束，同时提高岩层的抗弯能力。锚杆支护机理如图2所示。

2.2锚杆支护方案设计

煤矿巷道锚杆支护在施工应用前首先需要进行支护方案的设计，利用工程类比法、理论计算法或者实测法，综合考虑煤矿生产实际情况以及相关规范对各项支护参数进行设计。其中，应用较广的工程类比法以及仿真分析都首先根据施工巷道围岩物理力学性质、结构特征、地质构造等对巷道围岩的状况进行分类，依据不同的围岩选择不同的基本支护形式。根据基本支护形式以及锚杆支护理论计算锚杆杆体直径、长度、间排距、设计锚固力、角度等主要支护参数，同时确定锚杆选用的材质、型号。其次根据锚杆参数对锚固剂进行选择，确定其他搭配设备的参数。设计过程中依据初始设计、实施设计、矿压观测以及修改完善的设计流程，锚杆施工前需要进行拉力测试，以保障锚杆设计方案的科学可靠，同时谨慎使用新材料以及新技术，确保支护设计安全可靠、经济合理。

3锚杆支护施工工艺

3.1锚杆支护施工过程

在锚杆支护施工过程中，首先根据施工设计方案进行施工机具、人员配备以及施工工序安排，待掘进以及临时支护完成后，严格按照安全规范进行敲帮问顶，然后在掘进巷道围岩上进行钻孔，并按照设计方案确定钻孔位置、钻孔角度、钻孔深度，确保钻孔质量，钻孔完成后再完成锚杆的安装。锚杆安装首先要装填树脂锚固剂，然后再装入锚杆杆体，利用锚杆钻机带动杆体旋转搅拌锚固剂到规定时间后等待固化，最后套上托板及螺母，拧紧螺母施加预紧力，完成锚杆的安装工作。锚杆支护施工流程如图3所示。

3.2锚杆支护施工注意事项

锚杆支护需要严格执行安全操作规范，按照设计方案进行操作；按照间排距在设计位置进行钻孔，对打孔造成的孔内积水、岩粉进行清孔处理；在锚杆安装过程中，需注意安装角度合理并及时给锚杆施加预紧力；在锚固剂填充过程中需要填充密实，搅拌锚固剂过程需要持续且均匀，并按规定时间进行搅拌。

4锚杆支护安全监测

锚杆支护完成后，无论施工过程还是回采过程，都需进行必要的安全监测。安全监测通过锚杆测力计、顶板离层仪、单片机以及声光报警器共同完成。其中，利用布置在顶板锚杆尾部的锚杆测力计，对锚杆受力进行的实时检测，可直接显示应力参数，判断锚杆的受力状态；此外，利用顶板离层仪，检测巷道顶板的位移，每隔100m布置一组检测仪器，地质复杂区域以及掘进工作面还需增加布置数量；检测仪器连接着单片机，并将检测到的数据传输给单片机，当检测到顶板压力以及位移异常时，通过单片机程序判断支护状态异常，并控制声光报警器发出警报，达到支护安全监测的目的，确保安全生产。

5结语

针对巷道支护存在工作效率低以及规范性差的问题，对巷道支护技术方案进行了研究。结合生产实际情况，对锚杆支护的工作原理进行了分析，在此基础上，总结设计了一套针对掘进工作面的锚杆支护设计、施工、监测方案。该方案具有规范全面、安全可靠的优势，可大大提高巷道支护规范化水平，保障生产安全，同时减少工作量，提高煤矿生产效率。

［参考文献］

［1］王海龙.锚杆支护技术在煤矿掘进巷道中的应用研究［J］.石化技术，2019，26（8）:332.

［2］王永涛，刘森，毕士锋.煤矿掘进巷道锚杆支护新型检测技术的研究与应用［J］.内蒙古煤炭经济，2016（14）:19-20.

［3］安国.煤矿掘进巷道锚杆支护方式的应用与研究［J］.山东工业技术，2018（8）:91.

［4］张建国.煤矿井下掘进中巷道支护技术应用研究［J］.能源与节能，2017（8）:182-183.

［5］郭文孝，李瑞琴.煤矿掘进工作面临时支护装置工作阻力的设计研究［J］.煤炭技术，2018，37（1）:16-19.

［6］梁爱国.煤矿掘进工作面顶板支护管理技术［J］.石化技术，2019，26（8）:278-279.

［7］谢晓铭.近距离煤层掘进工作面过采空区支护技术研究［J］.内蒙古煤炭经济，2019（9）:38.

作者：王磊 单位：大同煤矿集团有限责任公司