郝亚楠

（西山煤电西曲矿掘进四队，山西 古交 030200）

引言

煤炭巷道挖掘越深，煤炭开采过程中地质构造、应力环境情况也越来越复杂，加大了煤矿开采的难度，不仅影响到开采效率，而且对开采安全也提出了一定的要求。确保巷道稳定性，已经成为煤炭安全开采的必要条件之一。巷道施工过程中因受到内部岩体和外部环境两方面的压力，容易出现破碎和变形，增加施工难度。为了避免施工过程中发生安全事故，通过对巷道支护方式的合理选择，参考相关支护数据，进行恰当的支护设计，可以提高煤矿施工的效率，保障施工人员的安全，同时可以为类似山西西山煤电股份有限公司西曲矿北三下组煤2 号探巷地质情况的巷道掘进支护提供一些思路和参考。

1 巷道的基本情况

北三下组煤（新区）2 号探巷2 段选址在西曲矿北三盘区西北部，该巷道施工长度为240 m，沿8 号煤层顶板方向进行垂直施工，施工断面形状为矩形，施工断面宽度为4.5 m、高度为3.5 m，断面示意图如图1 所示。8 号煤层厚度为3.7～4.7 m，一般厚度为3.9 m，煤层整体倾向南西，倾角2°～8°，平均为4°。该区域顶板灰岩及上部砂岩风化，岩性变质且厚度不稳定。施工期间风化区域及构造区域顶板容易产生裂缝，施工过程中要注意监测压力，优化支护设计，确保施工安全。8 号煤层爆炸可能性为19.76%，在煤层自燃倾向分类中为Ⅱ类。巷道截面瓦斯涌出量0.32 m3/m。8 号煤层顶板基本顶硬度8.13，厚度为4 m，是中粒砂岩；8 号煤层直接顶硬度10.56，厚度为2.1 m，是L1 石灰岩；伪顶硬度4.1，厚度0.6 m，是泥岩；地板中基本底硬度5.72，厚度4.3 m，是细粒砂岩；直接底硬度与基本底一样，厚度1.4 m，是粉砂岩。

图1 北三下组煤（新区）2 号探巷断面示意图（单位：mm）

北三下组煤（新区）2 号探巷8 号煤层截面地下水的各种变化和运动类型简单，施工过程中可能出现的主要问题是顶板岩层裂缝中会发生水的渗漏，富水性弱且不均一，顶板水以淋水、锚索眼小股流水方式进入截面。由于岩层渗水性不同，裂缝处渗水可能相对较严重，一般涌水点会逐渐衰减直至消失，对施工过程影响不大。

根据8 号煤层实际地质情况和水文地质的特点，断面形状和承压能力的不同，需要选择合适的支护方式和参数进行分析，提前做好矿压监测，从而确保掘进工作的顺利进行，分析施工过程可能存在问题，并提前准备相关解决方案，科学合理地进行支护施工，确保煤矿开采过程中岩层的稳定性和安全性。

2 巷道支护参数分析

2.1 断面形状选择

煤矿巷道断面形状差异会导致巷道承压能力的差别，我国巷道断面形状主要包括矩形、梯形和拱形，不同巷道形状在具体使用过程中有着各自不同的优缺点。以拱形巷道为例，相比于矩形和梯形巷道，拱形巷道对于来自顶板的压力有着较好的承受能力。但与此同时，拱形巷道由于易破碎、维护时间长、难度大，在实际应用中影响煤矿开采的高效性和安全性而难以广泛应用。在北三下组煤2 号探巷，根据煤层状况、地质状况、水文地质等因素综合考虑，认为最适宜的巷道断面形状为矩形。矩形断面有利于提高巷道施工的高效性、稳定性和安全性[1]。

2.2 支护时间选择

巷道支护过程中，会受到来自各个方向岩石的压力，岩石同时会发生塑性形变，顶板也有可能发生破碎、下沉的问题，对施工安全造成极大的威胁。所以在巷道掘进施工过程中，需要进行矿压监测。当受到的压力接近支护力度时，需要加强对巷道的支护作用，避免岩石压力过高导致巷道变形，从而影响施工安全。所以需要选择合适支护时间和支护措施，保障巷道施工高效、安全、稳定进行。

2.3 支护参数选择

巷道掘进工作中，支护参数和支护方式选择的科学性与合理性对安全支护目标的实现有着决定性作用，可以保证巷道岩层的稳定性，有利于巷道施工的高效进行。提前进行施工巷道考察，合理进行支护设计，选择合理支护参数，有利于保证巷道施工的安全，提高煤炭开采经济效益，促进煤炭企业健康、可持续发展。

3 巷道支护方式选择

3.1 棚式支护方式

20 世纪90 年代，棚式支护方式一经使用就引起人们的极大关注。根据材料的不同，巷道支护方式被划分成由混凝土、钢筋、金属材料制成的3 种棚式支护方式。随着科技进步和发展，混凝土和钢筋材料制成的棚式支护方式逐渐因为不能起到足够支撑作用造成岩石破碎，容易造成工作人员受伤而被放弃使用；金属支架结构棚式支护方式因为坚固性和稳定性的优点在多种棚式支护方式中脱颖而出，从而得到广泛应用。同时，支护操作简便易懂、布设方便、对不同情况都有较好的适应性，在巷道掘进中显示出极大的优越性，但因为造价昂贵，对相对复杂的地质环境适应度不高。

3.2 锚喷支护方式

锚喷支护方式在煤矿开采过程的支护设计中被广泛应用，锚索和锚杆对于易破碎岩石顶板有很强的支护作用，可提高煤层岩石稳定性，增强顶板岩石承受能力，可有效避免岩石在压力作用下发生的变形。

3.3 复合支护方式

复合支护方式是指将锚杆支护、锚索支护等和棚式支护方式相结合而形成的一种新的支护方式，有利于克服单一支护方式的不足，发挥多种支护方式的优势。复合支护方式虽然提高了巷道掘进效率，但是和金属支架结构的棚式支护方式一样造价相对较高，操作复杂，且操作人员需要彼此配合[2]。

4 支护设计与工艺

北三下组煤2 号探巷煤层平均厚度4.1 m，巷道跟顶掘进，设计巷道高度为3.5 m。首先，在顶板完好时，采用锚杆支护。锚杆支护有利于维持岩层的稳定性，防止岩石破碎变形。当经过地质构造破碎和顶板破碎区域时，采用复合支护方式。以梯形铁棚支护为主，锚杆支护为辅。

1）根据悬吊作用理论，锚杆长度计算公式如公式（1）：

式中：L 为锚杆长度，m；L1为锚杆外露长度，m；L2为锚杆有效长度，m；L3为锚杆锚入岩层深度，m。

由此得出：顶锚杆长度L=L1+L2+L3=0.07m+0.47m+0.8 m=1.34 m；

帮锚杆长度L=L1+L2+L3=0.07 m+0.68 m+0.4 m=1.15 m；

根据矿方实际生产经验，顶锚杆和帮锚杆长度统一取1.8 m。

2）顶锚杆直径的计算公式如公式（2）：

式中：d1为锚杆直径，m；Q 为锚杆锚固力，取107 kN；σt为锚杆杆体材料的设计抗拉强度，取屈服极限值520 MPa。

3）帮锚杆直径d2根据经验公式计算得出：d2=L/110=1 800/110=16.36 mm。

永久支护采用锚棚联合支护形式，临时支护采用EBZ160 悬臂式掘进机锚护部作为支护工具。

5 巷道支护问题和对策

首先，巷道岩石之间黏结性很差，容易受到施工扰动和周围岩石压力作用而导致破碎脱落与巷道岩石变形。其次，岩石压力和变形也会导致巷道受到不可逆转的损害。

在巷道施工过程中，需要进行地质条件、水文地质的考察，支护方式选择和支护参数优化设计，确保施工过程的顺利进行。往往单一支护方式无法满足实际情况的需要，经过对巷道实际情况的考察评估，通常多采用复合支护方式进行巷道支护。对可能出现岩石破碎的位置，需要提前做好判断分析，并针对性地加强支护。根据巷道地质形貌设计对应断面形状，优化岩石压力情况，减少巷道变形情况的发生，提高巷道支护的稳定性。同时，在施工过程中，应该尽量减少对巷道岩石的破坏，保证巷道岩石平滑，使其保持在同一曲面，分散岩石的压力，提高巷道岩层稳定性，也能有效杜绝岩石发生变形。通过科学合理地设计巷道支护，能够促进巷道施工工作的安全有序进行，降低煤矿开采支出，加快煤矿开采进度[3]。

6 矿压监测

由于巷道岩石在压力作用下容易变形和破碎，所以需要对巷道岩石压力进行动态监测，保证支护作用的支撑力大于岩石压力，防止岩石在周围压力下发生破碎、变形。矿压监测的主要对象是巷道顶板、底板及周围岩石，通过KJ216型顶板动态在线监测系统进行检测，系统数据不能正常传输时则采用人工观测，观测次数根据观测距离的不同分为1 次/d或1 次/周，通过对监测数据的收集，能够评估巷道支护的合理性，从而优化支护方案和工艺，确保支护设计的科学性和合理性。

在北三下组煤2 号探巷巷道开口、交叉点、构造前后及锚杆支护巷道，每隔50 m 在巷道顶板中部安设GYW-60W型顶板离层仪，并实行挂牌管理。监测期间确保顶板下沉值和下沉速度在合理范围，若下沉值超过安全范围，应该及时确保施工人员安全撤离，加强支护，确保巷道安全后再进行施工。锚杆测力计与离层仪配套安设，锚杆测力计型号为GYM-400，安设在托板与螺母之间，观测周期与顶板离层仪相同。巷道每隔50 m 安设1 个围岩观测站，进行岩石位移监测。当移动量小于3 cm 时，可正常进行施工；移动量在3～5 cm 范围时，需要加大监测频率；移动量大于5 cm 时，需要停止作业，加强支护，确保安全后再施工。通过实时数据监测，可以确保支护设计的科学性和合理性，保证巷道施工的安全有序进行，有利于优化支护方案，为类似工程施工提供一定参考价值。

7 结论

随着我国煤炭产业的不断升级发展、煤炭品质要求的不断提高，煤矿巷道的施工面临更为复杂的环境，岩石破碎和变形问题引起人们越来越高的重视，煤炭企业对开采效率和安全生产的要求不断走高，合理进行巷道支护发挥着越来越重要的作用。在煤炭生产过程中，要根据巷道的地质状况进行科学的巷道支护设计，提供巷道施工操作的安全性，促进煤矿企业转型升级发展，实现收益最大化。