淺談鎮(zhèn)城底礦礦山壓力與掘進巷道支護技術

摘要：煤礦安全已成全國工業(yè)生產(chǎn)的重中之重。目前國內(nèi)的煤炭生產(chǎn)安全事故不短發(fā)生，由于支護不利所造成的事故接連發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。但中央、國務院高度重視煤礦安全工作，相繼采取了一系列重大舉措，地方各級政府也做了大量工作，應如何有效遏制重特大安全事故的發(fā)生已成立礦井安全重要的一個環(huán)節(jié)。多樣的井下支護方式就是在這樣的背景下誕生的，在煤礦生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。

關鍵詞：煤礦 掘進 礦山壓力 礦山壓力顯現(xiàn) 錨桿 錨索 噴漿 支護 安全

1 礦井概述

山西西山煤電股份有限公司是大型煤炭上市公司，鎮(zhèn)城底礦是山西西山煤電股份有限公司在古交礦區(qū)開發(fā)的第二對大型現(xiàn)代化礦井。該礦井1983年1月開工建設，1986年11月20日正式投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力150萬噸/a，2005年3月該礦經(jīng)重新核定批復的生產(chǎn)能力為190萬噸/a，2005年實際生產(chǎn)原煤190.2萬噸/a，2006年實際生產(chǎn)原煤195.3萬噸/a。鎮(zhèn)城底礦井開拓方式為斜井單水平開拓，有一個主水760水平，輔助水平820水平?；夭晒ぷ髅娌蓪捯话銥?50m，長度一般為600-1000m，采煤方法為走向長壁式全部垮落采煤法。由于多年回采、采空區(qū)疊加的壓力影響，直接造成巷道支護和維修十分困難。因此，解決巷道的支護問題成為本礦勢在必行的任務之一。

2 礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)

2.1 礦山壓力

由于采掘活動的影響，巖體上及支護物上所產(chǎn)生的力稱為礦山壓力。采礦開挖引起的應力集中水平原巖應力鉛垂原巖應力。

2.2 礦山壓力顯現(xiàn)

由于礦山壓力的作用將引其圍巖及支礦山壓力顯現(xiàn)護物的位移、變形、護物的位移、變形、破壞等一系列的力學現(xiàn)象稱為礦山壓顯現(xiàn)。

2.3 礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)的關系

①礦壓是礦壓顯現(xiàn)的原因，礦壓顯現(xiàn)是礦壓作用的結(jié)果。

②礦壓存在是絕對的、不可控制的，礦壓顯現(xiàn)是相對的、有條件的、可以控制的。

2.4 影響礦山壓力顯現(xiàn)的基本因素

首先是地質(zhì)因素：一般來說，軟巖的強度低，受力后容易產(chǎn)生變形和破壞，巖層的層理、節(jié)理發(fā)育，對其強度影響極大，開掘時容易發(fā)生冒頂。

其次是開采深度：上覆巖層重量大，形成的支承壓力就越大，在開采過程中，礦山壓力顯現(xiàn)明顯。

三是煤層傾角：生產(chǎn)實踐證明，煤層傾角越小，礦山壓力顯現(xiàn)大，反之，礦山壓力顯現(xiàn)稍小。

四是生產(chǎn)因素：生產(chǎn)因素是人為的，主要表現(xiàn)在巷道位置、支護形式、開采順序、工作面推進速度和控頂方法等。

圍巖自穩(wěn)時間短、來壓快。在沒有支護的情況下，圍巖從暴露起開始失穩(wěn)冒落時間僅為幾十分鐘到幾個小時，甚至在沒有進行超前支護就隨著圍巖的暴露而馬上冒落。圍巖自穩(wěn)時間長短主要取決于圍巖強度和地壓大小，同時和巷道斷面形狀、掘進方法及巷道所處的位置等有關。

圍巖變形量大、速度快、持續(xù)時間長。根據(jù)國內(nèi)大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般軟巖掘進后第1～2天，變形速度小的為5～10mm，大的為50～100mm；變形持續(xù)時間一般為25～60天，有的達半年以上。在支護不當加之巷道位置處于應力集中區(qū)域，變形速度更快。

圍巖四周來壓、底鼓明顯。松軟巖石由于結(jié)構(gòu)疏松、強度低，很難支撐上覆巖層的重量，圍巖在自重的作用下，以垂直變形為主，垂直變形中又以底鼓為主。底鼓明顯是軟巖巷道的重要特征。軟巖巷道如果底板不支護，就出現(xiàn)一個支護結(jié)構(gòu)的薄弱帶，巷道破壞就從底板底鼓開始，又因底鼓導致巷道兩幫移近和巷道幫腳破壞而片幫冒頂，造成巷道全部破壞。

圍巖遇水膨脹、變形加劇。軟巖一般都富含親水性很強的蒙脫石、伊利石等粘土礦物的巖石，這些巖石遇水后軟化，體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生很大的膨脹力，變形也更加劇烈。

普通剛性支護普遍破壞。軟巖巷道變形量大、持續(xù)時間長，普通剛性支護承受很大變形壓力后很快發(fā)生破壞，所以目前剛性支護也不適應軟巖巷道。

圍巖應力水平高。圍巖強度低是形成軟巖的重要原因，但這只是一個相對概念，還與地應力緊密相關。圍巖強度小但地應力也小時表現(xiàn)不出軟巖特征；圍巖強度大但地應力很大時卻表現(xiàn)出軟巖的特征。圍巖應力水平高表現(xiàn)在以下幾個方面：

①巷道埋深大。

②構(gòu)造應力大。

③集中應力作用大。

3 動壓巷道圍巖壓力的顯現(xiàn)特點

在煤（巖）體內(nèi)掘進巷道后，巷道圍巖產(chǎn)生變形、位移、破壞甚至垮落，這時就產(chǎn)生了巷道的地壓現(xiàn)象，它主要表現(xiàn)在巷道的頂壓、側(cè)壓、底壓和巷道斜壓上。在煤（巖）體中開掘巷道后，巷道上方的煤（巖）體失去了支撐，產(chǎn)生拉應力，在拉應力的作用下，煤（巖）體產(chǎn)生裂縫相互交錯，使煤（巖）體成為碎塊，這時如果沒有支護，這些碎塊就會掉下，產(chǎn)生冒頂；當裂縫繼續(xù)延伸和擴大，達到一定高度并穩(wěn)定形成自然平衡拱后，其自然平衡拱內(nèi)的煤（巖石）重量就全部作用在巷道的支護形式上；與此同時產(chǎn)生的巷道底壓和巷道側(cè)壓也同樣作用于巷道的支護形式上。

4 常見的巷道支護

由于支動壓巷道要經(jīng)歷由動壓的應力狀態(tài)的多次變化，圍巖的壓力、變形、位移也隨著動壓的變化而發(fā)生多次相應變化，從平衡到不平衡，最后又趨于平衡，而且變化劇烈，時間短暫，即體現(xiàn)在“急劇升高——相對穩(wěn)定——又急劇升高——又相對穩(wěn)定”的壓力顯現(xiàn)規(guī)律，從而導至巷道圍巖壓力顯現(xiàn)很大，巷道變形嚴重，維護困難；因此要使圍巖能經(jīng)受住反復的壓力變化而不松動破裂，就要求支護具有較高的抗變形能力、有較大的剛性和足夠的柔性和可縮性。

4.1 錨桿支護

錨桿支護是樹脂錨固劑配以各種材質(zhì)桿體的錨桿進行工程支護的錨桿支護技術。它的原理是把以樹脂膠泥為基礎的膠黏劑和固化劑（二者完全分開）用錨桿輕輕裝入鉆孔，隨后將錨桿以一定速度邊旋轉(zhuǎn)邊攪拌地推入到眼孔底部，把兩種化學物質(zhì)充分混合，使膠黏劑迅速聚合并使錨固段錨桿與鉆孔孔壁緊密地粘結(jié)在一起取得較高的強度，并通過托板的安裝和螺母的擰緊，對圍巖起到支護作用。

4.2 錨索支護

錨索支護一般適合于煤礦井下大斷面硐室和巷道的補強和加固。錨索鉆孔和噸位一般較大，而且采用注漿錨固，不適用于回采巷道的施工。小孔徑樹脂錨固預應力錨索加固技術是近年來研制和開發(fā)的一種適合煤巷掘進期間按正規(guī)循環(huán)施工的支護技術。其最大特點是采用樹脂藥卷錨固，通過專用裝置可以像安裝普通樹脂錨桿一樣用錨索攪拌樹脂藥卷對錨索、錨固端進行加長錨固，其安裝孔徑僅為28mm左右，用變通單體錨桿機即可完成打孔、安裝。預應力錨索加固圍巖的實質(zhì)，就是通過錨索對被加固的巖體施加預應力，限制巖體有害變形的發(fā)展，從而保持巖體的穩(wěn)定。在頂板上打注錨索后，由于錨索的錨固點在深部穩(wěn)定巖層中，根據(jù)懸吊理論，使下部不穩(wěn)定巖層通過錨索懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，起到了懸吊頂板的作用，同時由于錨索預應力作用，對已有錨桿支護的下部巖層進行組合、加固。錨索能有效地控制頂板下沉，減少支架、錨桿受力，使群體支護達到良好的效果。小孔徑預應力錨索主要用在破碎、復合頂板回采巷道，放頂煤開采沿煤層底板掘進的巷道，軟弱和壓力較高的回采巷道，以及大跨度開切眼和巷道交岔點。小孔徑預應力錨索一般不單獨作為巷道支護方式，往往與錨桿支護一起形成一種聯(lián)合支護方式，錨索能夠起到補強的作用。

4.3 錨網(wǎng)支護

錨網(wǎng)支護是采用錨桿、鋼筋網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護的一種支護方法，它適用于服務年限較長的巖石動壓巷道，為了減少巷道的維修量，通常把這種支護方法也用于服務年限較短的煤層動壓巷道中，如回采工作面的上下巷等。實踐結(jié)果表明，錨網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)具有較好的適應動壓劇烈變化的能力，適用于圍巖（或煤層）強度低、整體性差、裂隙、節(jié)理發(fā)育、易剝落、片幫、冒頂而自穩(wěn)能力較差的巷道，適用于動壓集中，礦山壓力大、變形位移量大，而且動壓變化劇烈的巖巷、半煤巖巷和煤巷，是動壓巷道的一種主要支護形式。

4.4 噴漿支護

噴漿支護是利用壓縮空氣將水泥砂漿噴射到巖體表面的支護。噴射混凝土與圍巖緊密粘接，在噴射混凝土--圍巖界面上能傳遞拉應力和剪應力，可使易失穩(wěn)巖塊的載荷轉(zhuǎn)移到附近的穩(wěn)定巖石上，同時由于噴射混凝土充填于巷道表面的張開裂隙中，加強了圍巖的鑲嵌和連鎖效應，在巷道壁附近能形成巖石拱，在多裂隙巖石中這種作用更為明顯；在巷道開掘后，噴射混凝土能迅速施工，給圍巖以支護抗力，使巷道周邊圍巖由雙向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊顟B(tài)，以阻止圍巖強度的降低；噴射混凝土能以薄層用于巷道支護，并能在開始硬化時即產(chǎn)生支護作用，因而具有良好的柔性。這種柔性可以減少和避免噴層的彎曲應力，還能調(diào)節(jié)和控制圍巖變形，以最大限度的發(fā)揮圍巖自支撐作用；噴射混凝土能填補巷道表面的凹穴，緩和應力集中；噴射混凝土能及時封閉巖面，防止裂隙間充填物的流失，有利于巖石力學性質(zhì)的保持。

4.5 聯(lián)合支護

當巷道過老巷、采空區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造帶時，圍巖變形位移嚴重，動壓集中壓力會明顯增大，這時，單靠錨桿支護或錨網(wǎng)支護仍不能滿足圍巖穩(wěn)定、巷道安全使用的要求時，就可以采用聯(lián)合支護，進一步提高支護的抗壓能力，充分發(fā)揮其單獨的和共同的優(yōu)勢，保證巷道安全正常使用。

錨桿網(wǎng)噴漿支護就是一種常用的聯(lián)合支護形式，錨桿網(wǎng)噴漿支護既能充分發(fā)揮錨桿作用，又充分發(fā)揮噴射混凝土的作用。同時網(wǎng)使圍巖表面破碎圈完整化，使噴層平整均勻，增加抗彎、抗剪能力，并具有較高使用錨桿網(wǎng)噴漿支護作用柔性和較大的允許變形量，錨桿網(wǎng)噴漿支護突破了傳統(tǒng)舊的支護形式和支護理論，不是消極地支護已松動的圍巖，而是主動地保持圍巖的完整性、穩(wěn)定性，控制圍巖變形、位移及裂隙發(fā)展，充分發(fā)揮圍巖自身的支承作用。即以護為主，以支為輔，是加固松動圈而不是支護松動圈的一種較為合理且適用斷層破碎帶不穩(wěn)定巖石的一種支護形式。

5 本礦井掘進巷道支護

5.1 巷道支護形式

5.1.1 “錨桿+鋼筋梯子梁+金屬菱形網(wǎng)+錨索”支護

兩巷及中間巷兩幫采用錨桿護幫，頂錨桿采用“五·五”排矩形布置，排間距0.95m×0.95m；錨索采用“二·二”排矩形布置，排間距1.0m×0.9m，幫錨桿“三·三”排矩形布置，排間距0.8m×0.8m。巷道寬4.0m，高2.8m。

5.1.2 梯形金屬棚支護

巷道上凈寬3.7m，下凈寬4.1m，凈高2.5m，棚距0.8m。

5.2 超前維護支護

5.2.1 錨桿＋鋼帶＋錨索＋金屬網(wǎng)支護的超前維護

①兩巷及中間巷超前維護采用單體帶帽點柱進行支護。即超前工作面煤壁10m范圍內(nèi)加打三排帶帽點柱，10-20m范圍內(nèi)加打兩排帶帽點柱，間距0.8m，正巷超前工作面煤壁10m范圍內(nèi)，排距為1.0m、2.0m(行人側(cè)寬度不少于0.8m)，超前工作面煤壁10-20m范圍內(nèi)，支柱排距3.0m；付巷、中間巷超前工作面煤壁10m范圍內(nèi)，支柱排距1.5m；超前工作面煤壁10-20m范圍內(nèi)，支柱排距3.0m。

②帶帽點柱的柱帽使用400mm長的∏形鋼梁柱帽。柱帽方向垂直巷道走向，支柱使用DZ31.5—30/100型單體液壓支柱。鐵柱帽必須用鋼絲繩聯(lián)鎖捆綁。

5.2.2 梯形金屬棚支護的超前維護。

超前工作面煤壁10m范圍內(nèi)，在原巷道梯形棚梁下打三排單體支柱，付巷、中間巷支柱排距1.5m，正巷支柱排距1.0m，2.0m；超前工作面煤壁10-20m范圍內(nèi)打雙排支柱，支柱排距3.0m，棚距0.8m。

6 結(jié)束語

錨桿支護在巷道處于靜壓狀態(tài)時尚能正常安全使用，而在動力作用的影響下，單靠錨桿支護難以維持巷道穩(wěn)定時，則需及時補充傳統(tǒng)支架，形成聯(lián)合支護，以彌補錨桿支護抗力不足的一面，達到巷道的正確維護要求，保證巷道正常安全使用。

動壓集中壓力突出，圍巖變形位移比靜壓狀態(tài)增加幅度過大，變化劇烈，如果完全采用錨桿或錨網(wǎng)支護，雖然也能收到比較好的支護效果，但為了適應動壓、卸壓狀態(tài)的頻繁變化，要求錨桿參數(shù)大，代價高，對于一些服務年限較短的采區(qū)（工作面）巷道來說，是很不經(jīng)濟的。在這種情況下，如果錨桿支護，在保持圍巖靜壓狀態(tài)下能充分發(fā)揮其作用，盡可能采用錨桿支護；而在動壓嚴重影響區(qū)域，則可使用傳統(tǒng)的可縮性支架進行聯(lián)合支護。這樣，一方面可以增強支架的可縮性，另一方面這種支架還可以回收重復利用。因此，聯(lián)合支護不僅可以充分利用錨桿支護的優(yōu)勢，而且不可以利用自身的可縮性來適應圍巖變形位移，有較大的支護抗力，還更具有較好的經(jīng)濟效果。

在煤礦生產(chǎn)中安全是第一位的，本文所涉及到的礦山壓力與掘進巷道支護只是煤礦安全很小的一部分，隨著地層結(jié)構(gòu)的不同，壓力及相應的支護方式也不同，只有正確的了解地層結(jié)構(gòu)才能更好的找到相應的對策，只有在工作中不斷的摸索和創(chuàng)新，才能更好的處理好兩者的關系，為人民生命財產(chǎn)提高更有力的保障。