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煤矿岩石巷道支护新技术保障施工安全

近几年来，兖州矿业（集团）有限公司各矿与有关单位共同开展科技攻关，积极应用先进的岩石巷道支护新技术，有效地保障了矿井掘进施工的安全。

    1 深部巷道支护工程关键技术研究 

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿以现场工程地质条件为基础，充分利用工程地质学、工振动盘程岩体学、软岩工程力学、岩石力学及数值模拟分析等理论知识，借助岩石物化、力学试验与数值计算等分析手段，深入研究了该矿深部巷道围岩的变形破坏机理，给出了具体现场工程地质模式下深部巷道的稳定性控制计算，并对其进行了较系统的研究，得出了一些相关重要结论。

    在此项课题的研究过程中，他们对矿井深部巷道的围岩进行了分类，确定了深部巷道三类工程岩组的临界深度，并且利用难度系数的评价指标对矿井深部巷道各类围岩的难度进行了评价。通过对该矿工程地质条件的分析和室内岩爆试验的结果，再结合理论研究的成果进行了深部巷道煤爆及冲击地压可能性的分析，指出该矿发生冲击地压的类型以构造应力和重力复合型为主，并且提出了一般性控制对策，根据矿井深部巷道变形破坏的特点，建立了顶板下沉、底臌变形和楔体结构破坏的力学模型，同时利用计算机模拟技术再现了破坏的全过程，分析了变形破坏的机理，确定了主控因素，进行了底角锚杆优化的实验研究，提出了以底角锚杆控制巷道底臌、锚索耦合支护控制泥岩底板巷道围岩变形的一体化耦合控制力学对策。

    从已经掘进的九采区顺槽巷道观察到，顺槽巷道相继出现了顶板下沉、底测试仪器臌、楔体破坏及冒顶等变形，在已经施工的交叉硐室群中出现了应力集中破坏、严重底臌变形及吸水小井变形破坏等问题。随着深度的不断增加，从该矿浅部的巷道到深部的巷道实际状况说明原有的浅部理论已经部分或者全部失效，应该采用适合于深部巷道的新技术、新设计和新手段来解决矿井深部顺槽的支护问题。此项新技术的采用，对于降低深部开采的成本与提高经济效益具有这样的理论指导意义和现实意义。 

    2 深部矿井开采巷道顺槽支护技术 

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿根据现场工程地质条件和室内试验，分析了９３０６顺槽支护现状，通过数值模拟研究了顺槽变形和破坏的过程，总结了破坏的原因，并且找到了合适的支护对策，现场应用效果良好，并为其它类似条件矿区的深部支护提供可以借鉴的手段。

    从该矿九采区大巷关键监测混泥土系列产品及顺槽已揭露情况来看，整体断层较为发育，预计在中部未采区域存在一定数量的小断层，对巷道支护有一定的影响。9306顺槽巷道在实际掘进过程中出现了顶板离层、两帮收缩移近和底板臌起等现象。此种破坏的主要原因是由于巷道埋深大、地质构造复杂、围岩结构破碎、原有支护参数不尽合理。优化后的支护设计采用了锚索+底角锚杆联合支护的形式，增加了的刚度。采用底角锚杆可以有效地抑制巷道底臌及变形。不同的巷道施工顺序会产生不同的力学效果和围岩变形方式，因此其设计不能简单地用参数设计来进行，还要强调支护顺序。

    具体施工顺序如下：掘进成型→架设前探梁，进行临时支护→挂，打锚杆眼→紧跟迎头安装锚杆和复合托盘→打锚索和底角锚杆。为检验支护结构、设计参数、施工工艺合理性及修改、优化支护参数提供科学依据，在现场工业性试验中进行了巷道便帽位移监测。在93上06运输顺槽试验段共设置4个测站进行表面位移矿压观测，通过对观测数据的整理得出巷道表面位移总量。总体来看，未出现大的顶板下沉（最大22mm）、缩帮（最大56mm）、和底臌（最大5mm）等现象，巷道成型好，围岩变形量小。数值模拟结果表明，原有的巷道支护系统和围岩系统存在明显的不耦合支护现象，致使巷道围岩出现大变形、维护困难等。新的支护方式在控制巷道变形及提高巷道稳定性方面效果较为明显。

  3 破碎顶板条件下锚支护研究 

    兖州矿业（集团）有限公司针对破碎顶板条件下锚支护的特点，分析了破碎顶板条件下的锚杆支护作用原理以及破碎顶板条件下锚杆与锚索的作用，提出了在破碎顶板条件下的煤巷宜使用锚杆—锚索联合支护。

    在软弱破碎顶板条件下，巷道顶板的变形量很大。为了避免采用锚杆—锚索联合加固支护时因为锚索延伸量超过极限而破断，可以采取类似于软岩支护中的二次支护方法及其作用原理进行锚索加强支护。在巷道开挖的初期，顶板自身的整体性好，通过锚杆的加固作用，锚岩支护体的承载能力比较高，顶板在一定的变形范围内可以保持自身的稳定。随着顶板变形的增大，锚岩支护体的承载能力和自身稳定性降低，同时顶板的集中应力移往深部，顶板变形趋于平稳。在锚岩支护体失去稳定之前，再通过锚索的悬吊作用，保持锚岩支护体和顶板的稳定。在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主，两者不是同时联合加强支护，而是相互取长补短，从而大大改善了锚杆支护的整体支护性能，达到控制顶板大变形的目的。

    在实际工程中，锚杆—锚索联合支护是否能够锚杆与锚索支护作用的互补性取决于采用的支护方法和合理的支护设计。它要求将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合在一起进行总体的支护设计，而锚杆和锚索支护参数分别独立设计。由于采用不同的锚杆支护形式，锚岩支护体的承载特性有较大的差异；同样，采用不同的锚索支护方式对顶板的适应性也不相同。因此，在支护设计中应根据巷道顶板条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法，这是锚杆—锚索联合支护的关键。 

    4 济三矿巷道支护技术 

    兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿根据井下巷道所处的地质条件、围岩稳定性、服务年限和用途的不同，分别采取了锚喷支护、锚喷与U型钢支架复合支护、对棚支护、锚梁支护、砌碹支护等不同的支护形式。迄今为止，所支护的巷道均未出现任何问题，取保温材料得了很好的支护效果。

    通过对实践的总结，他们认为：锚喷支护具有支护速度快、效率高、经济效益明显等特点，围岩在锚杆的作用下形成组合拱，并与金属、喷层形成一个整体，共同承载围岩压力。该支护形式适应性较强，一般围岩比较稳定的情况下均可采用。但是，在岩石提高新材料领域山东标准水平膨胀严重、地压特大、煤质松软、顶板破碎等巷道中采用此支护形式，会造成喷层开裂、脱落、甚至巷道跨落等不利后果。对于围岩不稳定、具有膨胀性、地压大的巷道，采用锚喷与U型钢复合支护的形式则能克服上述缺点。

    U型钢支架具有先柔后钢的特点，在围岩较大压力作用下，允许围岩有一定量的变形，释放围岩压力，支架收缩到一定程度就变成刚体，阻止了围岩的继续变形，与锚杆组合拱共同承载围岩压力，再喷上混凝土层，保证了巷道的安全稳定性。砌碹支护适应性强，但其施工速度慢、成本高、劳动强度大，一般只用在地压大、顶板破碎、围岩不稳定的巷道或者服务年限长、要求有防水性能的硐室中。对棚支护是采区顺槽施工中常用的一种支护形式。其支护承载能力大，特别适用于梯形巷道。对棚可回收，但其劳动强度大、支护费用高；而锚梁支护不但工艺简单、劳动强度小、造价低，而且采用锚梁支护的巷道空间宽阔、支护结构稳定，给生产创造了良好的工作环境。

   5 软岩类掘进迎头闭环式安全护设计应用 

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿在软岩类掘进过程中，采用迎头护对暴露煤体进行全断面防护，有效增加迎头空顶范围内的安全系数，为作业人员创造了安全的作业环境。

H的每一个腿都在根部和中间向两个不同的方向折叠

    掘进工作面安全的重点在迎头。掘进机截割完成后的正常施工工艺是临时支护和永久支护。此时迎头人员比较密集，特别在上、前探梁使用和安设钻机等环节时人员靠近空顶区。正规循环最大控顶距为1.9m，虽然有敲帮问顶及临时支护等措施，但是仍然有涨帮、涨迎头和掉渣等情况发生，这是顶板管理的薄弱环节。为了减少顶板事故，将以前的被动预防变为主动控制，他们根据现场的地质条件研究出了一种软岩类掘进迎头闭环式安全护。这是采用软质绳编织成适合软岩类巷道的迎头防护。其格大小控制在50mm×50mm之内，护大小与巷道尺寸相匹配，确保展开后实现迎头山墙全覆盖。在绳上端均匀布置吊挂钩，下端的伸缩拉杆顶尖头部焊有挂钩，便于绳下端固定。

    使用步骤如下：①掘进迎头截割完毕后，首先进行临时支护，而后用此模具进行塑料收缩率实验的实例以下将两帮的菱形（帮）与顶正常连接，使帮自然下垂至底板，并与上一循环帮按规定连接。此法使折落的煤块顺帮下滑，能有效预防两帮折帮伤人，为作业人员创造纵向安全空间。②在正迎头山墙悬挂安全护，上部将吊钩均匀悬挂在顶前沿钢梯附近，帮部悬挂在帮钢梯处，安全护紧靠迎头山墙，下部使用一根伸缩拉杆固定，拉杆两端插在两帮的隅角处压实。此措施使迎头掉落煤块顺“安全护”下滑，为作业人员创造横向安全空间。迎头闭环式安全护经过在该矿93上01轨道顺槽和运输顺槽两个工作面使用和改进镁碳砖，表明在半煤岩巷道松软煤层、地质构造带及破碎带效果明显，特别是软岩类巷道对迎头防护起到明显作用，现已在全矿各掘进迎头推广使用。