井下地質構造對巷道支護的影響分析

郭圣旗

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司鳳凰山煤礦，山西 晉城 048000)

0 引言

在煤礦井下巷道的掘進作業中，會面臨不同的地質構造類型，在遇到特殊的地質構造時，往往會給巷道支護作業帶來極大的影響[1-3]。縱觀所有地質的結構，褶皺可稱之為井下最尋常的地質構造。在巷道整個掘進期間，會釋放一定的能量，當釋放的能量超出某個極限時，不僅會增加巷道的支護難度，而且會威脅到作業人員的生命安全[4-5]。一般情況下，在井下巷道的支護作業中，就算在較大區間內予以錨桿支護，也難免會出現變形。因此，相關工作人員必須認真地結合井下地質條件及構造特點，有針對性地采取巷道支護措施。

1 巷道支護的材料及類型

為了緩解并控制圍巖移動，在煤礦生產作業中需要進行巷道支護作業，將巷道斷面的縮小控制在可接受范圍內，并通過阻止圍巖移動的方式，增加巷道斷面的縮小阻力。

1.1 巷道支護的材料

煤礦井下巷道的支護作業選擇的材料主要從以往的型鋼支護、木支護，逐漸轉變為錨桿支護[6-7]。分析應用的效果及頻率可知，錨桿支護最為經濟、實用。錨桿支護既可更好地提升支護效果，又可節約支護應用的成本，降低勞動強度，為煤礦的安全生產提供有力的保障。

1.2 巷道支護的類型

錨桿支護：在我國很多的煤礦企業中，錨桿支護在井下巷道的使用最為常見，不僅能夠改善巷道的布置形式，而且提升了煤礦的開采效率[8-9]。主要涉及的支護構件有錨桿桿體、錨桿托板、鋼帶等。錨桿一般用于抗剪、抗拉，托板可改善圍巖的應力狀態，具有阻止圍巖變形的功能。網通常緊貼于巷道外表，具有一定的支護力，可預防圍巖中的破碎巖塊的垮落。

支護型鋼：煤礦專用的支護型鋼通常分為工字鋼、U型鋼兩種。對于煤礦井下的巷道斷面，支護型鋼具有抗拉、抗壓、抗剪的特點，因而獲得廣泛的應用[10]。由于煤礦井下的巷道經常面臨十分復雜的工作環境，對支護型鋼的要求極高。①支護架擔負井下巷道掘進過程中產生的橫向荷載力與豎向的推動力，且礦用的支護型鋼其斷面的集合參數設計又與截面的抵抗矩具有較大關系，截面的抵抗矩值與巷道支架的負荷承載力極為接近；②支護型鋼的形狀也會受到巷道支架壓縮程度的制約。因此，在集合形狀滑移時，需要保證支護型鋼的科學受力，要求接觸面的面積盡量擴大，便于滑移。

可縮性的支架支護：通常情況下，金屬支架要在極限的承載力和實際的承載力兩方面負荷承載力。①極限的承載力是指巷道的可縮性支架由于剛性產生的最大負荷承載力；對于煤礦巷道而言，支架的塑性變形程度往往決定了支架的極限承載力；②實際的承載力是指巷道在支架收縮期間，表現的負荷承載力，一般受到巷道支架承載力、連接件的影響；若煤礦的極限承載力與實際承載力差別較小，則表明巷道支架的可縮性狀態良好。

2 地質構造的常見類型

2.1 小斷層

在整個煤礦開采過程中，小斷層是遇到的一種常見的井下地質構造類型，該地質構造對巷道的支護具有重要影響。發生小斷層時，一般煤層頂板會發生位移，或者位移變化較大。在此期間，煤層厚度逐漸減小，尖滅現象日益明顯。伴隨著井下巷道的不斷延深，煤層厚度也會逐漸增大，最后產生相關的地質現象。若在巖石層中間出現揉皺，則證明地質構造產生了一定的變化，這會對巷道的支護產生極大的影響。

2.2 復合頂板

在煤層的整個結構中，偽頂、直接頂及老頂為3種主要的頂板結構。同時，一般在煤層的頂板中經常存在多處的薄煤線。無論遇到的是什么類型的頂板結構，均會對直接頂與偽頂之間接觸面帶來影響。此外，復合頂板一般由煤線與薄巖層共同構成。若在復合頂板的整個結構中，加入相應的巷道支護，若未得到及時、有效地處理，一定會影響整體結構。因此，為了安全、有效地推進井下巷道的支護工程，必須充分地重視復合頂板的整個施工過程。

2.3 小褶皺

小褶皺最能體現巷道支護的現象。尤其在煤礦井下巷道支護工程中，小褶皺發展是很頻繁的。在煤礦井下掘進、挖掘作業中，整個煤礦頂板的構造主要為撓曲構造，該構造規模往往很大，且內部形狀難以找出規律，具有不規則的特點，最后會產生巷道圍護煤礦層的變形，甚至在操作中極易引發冒頂事故。在煤礦井下掘進作業中，發生小褶皺一般情況下會嚴重地影響巷道的支護作業順利地完成。對于煤礦巷道工作人員而言，一旦遇到小褶皺，必須要迅速地避開，同時，還要及時采取有效的安全措施，這樣才能確保巷道支護作業。

3 地質構造對巷道的影響

3.1 構造應力對支護的影響

在地質構造對井下巷道支護工程的影響中，構造應力也是一個重要的影響因素。構造應力的產生可對巷道支護、掘進以及其他環節均產生不容忽視的影響。由于在巷道整個采掘作業中，特別易產生冒頂、片幫的問題，所以，不僅導致整個巷道的掘進過程很難向前推進，而且巷道的掘進很難成型。一般情況下，受到井下特殊地質構造的影響，巷道支護模式也會產生某種問題，極易發生錨桿或者錨索開裂的現象。在操作期間，兩幫、頂板均可能產生劇烈的位移。尤其在受到構造應力、采動應力的作用影響下，井下巷道操作難度會進一步加大。若此時未對支護參數予以全方位、合理的設置，則支護的應力場會難以維持。工作人員未及時采取有效的保護措施，巷道自身的變形會日趨嚴重，最后會引發巷道對地壓的沖擊，甚至損毀，導致安全事故的發生。所以，在分析井下地質構造特點對巷道支護的影響時，最關鍵的是考慮構造應力對巷道帶來的影響。

3.2 實例分析

工程概況：XV1306進風巷施工結束后，主要作為綜采工作面的進風以及運煤來使用。巷道的設計長度：該進風巷的巷道總長為629.637 m，分兩個施工階段。①第一階段—施工的總長為393.144 m，從進風的聯絡巷，向西掘進，一直施工到掘進位，其掘進的方位角是275°30′56″；②第二階段—施工的總長為236.493 m，從進風聯絡巷，向東掘進，一直施工到掘進位，掘進的方位角是95°30′56″。在巷道向前掘進中，需要在巷道的沿途，掘進絞車硐、探放水鉆場、水倉等。

施工斷面：巷道的斷面都是矩形斷面。5.0 m的斷面毛高為2.6 m，凈高為2.5 m；毛寬為5.2 m，凈寬為5.0 m；斷面毛面積為13.52 m2，斷面凈面積為12.50 m2。4.3 m的斷面毛高為2.6 m，凈高為2.5 m；毛寬為4.5 m，凈寬為4.3 m；斷面毛面積為11.70 m2，斷面凈面積為10.75 m2。

支護方案：采用高預應力的支護方案，圖1為巷道支護布設圖。頂部的錨桿為長度2 400 mm，直徑22 mm的左旋螺紋鋼錨桿，拉斷力極限為260 kN，延伸率為20%；幫錨桿為長度2 000 mm，直徑為20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，拉斷力極限為200 kN，延伸率20%。以樹脂對錨固進行加長，預緊力矩設為400 N·m，各錨桿的排距為1 000 mm×1 000 mm。錨索選擇長度為7 300 mm，直徑17.8 mm的鋼絞絲，預緊力是180 kN。另外，頂板為W型的鋼帶，幫部選W型的鋼護板予以輔助防護。

圖1 巷道支護布設圖

支護效果：應用位移觀測儀器，觀測巷道兩幫與頂底板產生的位移(圖2)，原支護的頂板下沉量為400 mm，兩幫的移近量420 mm。采取高預應力的支護模式后，巷道圍巖的移動變形現象明顯減小，頂板下沉量小于70 mm，兩幫的移近量小于100 mm，分別為傳統支護模式下巷道移動變形量的80%、75%，有效證明了該支護方式的優越性。

3.3 注意事項

圖2 新支護使用前后的支護效果對比圖

正斷層的掘進：在煤礦掘進作業中，當斷層在工作人員視線中出現時，若煤層的頂板忽然存在上升的趨勢，然后冒頂。或者在整個掘進期間，突然出現斷層，而煤層的頂板忽然呈下降的趨勢，這時，工作人員必須要注意準備過斷層。若需繼續向前掘進，特別要注意預防冒進或別的風險。此外，在過斷層時，應有效地使用帶網的支護，如有需要，予以注漿加固處理，從而避免在支護時產生塌方事故。

頂板撓曲的構造：萬一遇到井下的撓曲構造，應對其構造特點展開全方位地觀察，再全面地采取有效的預防措施。若在整體過程中，煤層的傾斜角不斷增大，就應采取錨索鉆機，對煤層頂部的狀況進行全面地探查，在此前提下，予以加密支護。

4 結語

為了確保井下煤礦開采作業更為安全、高效，煤礦企業的管理者及工作人員必須對地質構造對巷道產生的影響保持高度的重視，相關工作人員必須充分地做好巷道支護。在遇到褶皺、斷層、復合頂板的狀況時，一定要進行科學、合理的設計。同時，煤礦管理者也要加強對地質構造的有效勘察、分析與管理，為煤礦生產創造安全、可靠的操作環境。