煤炭采礦工程巷道掘進和支護技術應用

摘要：煤炭作為重要的能源資源，其開采業面臨的技術挑戰和安全問題日益增多。尤其在深部礦山開采中，科學的巷道設計、先進的掘進技術及有效的支護措施能夠保障礦井的長期穩定性。探討了煤炭采礦工程巷道掘進中的結構設計、掘進流程控制、瓦斯排放管理及通風防塵措施，深入分析了混凝土支護、錨桿支護、預留煤柱支護和剛性支架支護技術的具體應用。

關鍵詞：煤炭采礦工程巷道掘進支護技術施工方法

ApplicationofTunnelExcavationandSupportTechnologyinCoalMiningEngineering

KONGLei1SONGShitao2

1.HuanchengCoalMine，WeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，ShandongProvince，Jining，ShandongProvince，277600China;2.YongshengCoalMine，ShandongWeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，Jining，ShandongProvince，277600China

Abstract：Coal，asanimportantenergyresource，itsminingindustryisfacingmoreandmoretechnicalchallengesandsafetyproblems.Especiallyindeepmining，scientifictunneldesign，advancedtunnelingtechnologyandeffectivesupportmeasurescanensurethelong-termstabilityofthemine.Thestructuraldesign，tunnelingprocesscontrol，gasemissionmanagementandventilationanddustpreventionmeasuresincoalminingengineeringtunnelexcavationarediscussed.Theconcretesupport，boltsupport，reservedcoalpillarsupportandrigidsupporttechnologyaredeeplyanalyzed.

KeyWords：Coalminingengineering;Tunnelexcavation;Supporttechnology;Constructionmethod

在全球能源結構中，煤炭是發展中國家主要的能源供應來源。隨著經濟的快速發展，人們對能源的需求日益增長，煤炭的開采量也隨之增加。隨著地下礦井深度的增加，地壓活動加劇，礦山巷道的穩定性對于整個礦山的安全生產至關重要。通過采用先進的掘進機械和支護系統，施工團隊可以在不同地質條件下提高作業效率，從而保證礦山長期穩定運行，維持礦工的工作環境安全。因此，巷道掘進和支護技術在煤炭采礦工程中發揮決定性作用是煤炭工業持續發展的可靠保障。

1煤炭采礦工程巷道掘進技術

1.1結構設計

巷道的設計需基于其功能、地理位置、形狀和尺寸，并考慮圍巖的類型、特性和狀態。通過精確的計算和科學的分析，工程師確定掘進和支護方式，設計最佳的斷面形狀、尺寸和坡度，以及適宜的曲率和間距參數。具體來說，巷道的結構設計首先需要詳盡的地質勘查，以獲取礦體的精確信息，包括位置、大小、形狀和取向。利用地球物理和地球化學探測技術，深入了解礦體及其周邊巖層的詳細數據，再依據這些數據，結合水文條件、巖石硬度和應力狀態，選擇合適的掘進策略。例如：對于傾斜或立體的礦體，采用垂直井或斜井的掘進方案；對于較為扁平的礦體結構，則優先選擇水平巷道掘進方法，以提高效率。巷道的斷面設計采用圓形、馬蹄形或矩形，具體選擇基于圍巖的穩定性和巷道的用途來確定[1]。例如：馬蹄形斷面多用于主運輸巷道，因其頂部較寬可以容納設備和運輸車輛；矩形或圓形斷面則常用于輔助通風或逃生通道。巷道寬度一般設置在4～6m之間，高度約為3～5m，旨在有效地承受上覆巖層壓力，為設備和人員提供必要的操作空間。為了保證載重車輛的安全行駛，巷道坡度設計不超過8%，減少運輸過程中的滑車現象。

同時，巷道的曲率半徑應至少為15m，以適應大型機械的轉向需求，并防止在曲線部分的車輛翻倒。根據巖石硬度和其他掘進要求，合理選用巷道掘進機、鉆爆設備等，同時設置臨時支護措施預防巷道塌陷，確保施工過程的安全性。此外，還需對瓦斯聚集、涌水、巖爆等潛在風險進行監測和評估，確保巷道掘進工作的順利進行。在巷道布置方面，對于采場巷道的布置，需沿礦體走向或傾向進行，盡量減少與采場幫壁的接觸，以減少圍巖松動。對于巷道的斜度、長度和寬度，也需根據采場條件、頂板情況和巖石物理力學性質綜合考慮。例如，在底板較穩定的中段，巷道應布置在巖層中；若底板不穩定，則應考慮布置在距底板較遠的一側[2]。對于薄、中厚或厚大礦體等不同類型的礦體，需要對巷道的位置和傾角進行針對性設計，以保證開采效率和巷道的長期穩定性。

1.2控制掘進流程

對于掘進機械設備的選擇，需根據巷道類型和地質條件進行優化。對于硬巖巷道，選擇功率范圍在200～500kW的懸掛式掘進機，其鉆頭直徑可達150mm，適用于完成復雜的巖石掘進任務；對于軟巖或煤層巷道，推薦使用功率在100kW以下的全自動割煤機，這種機器的切割寬度可達3m，適合低硬度巖層的快速切割。不同的掘進技術，如全煤巖掘進或綜合掘進技術，根據具體情況搭配使用，以適應巷道的地質特點。針對特定施工需求，部署單體鉆機、液壓鑿巖車和風動鑿巖車等，以適應不同的掘進和支護任務。采用綜合機械化掘進方法，結合全煤巖掘進技術和半煤半巖石掘進技術，實施巷道掘進。這些技術的應用需配合高效的掘錨一體機，這類設備配置有自動化錨桿安裝系統，錨桿長度從1.8～2.4m不等，直徑為22mm，以適應不同的地質強度和穩定需求。地測部門采集關于巖性、地質構造、頂底板穩定性及水文地質的數據，據此制定出具體的貫通策略[3]。

在掘進的關鍵階段，如貫通前60m至貫通點，需展開詳盡的瓦斯監測和頂板支護。巷道掘進時，每隔10m需重新評估地質條件和掘進設備配置，確保掘進參數與地質數據的匹配。在貫通階段的風險管理中，特別關注通風系統的調整和瓦斯管理。調整通風系統的措施包括分析貫通前后的通風網絡變化，以及詳細記錄調整通風設施的位置、類型、結構和建設時間。在貫通實施前，需進行至少5個方向的鉆孔探測，并采用集體貫通制度，確保所有參與部門在貫通時的同步操作和安全。

1.3控制瓦斯排放

為確保瓦斯濃度控制在1.0%甲烷濃度的安全閾值以下，施工團隊在掘進前沿每20m設置甲烷傳感器等高靈敏度的瓦斯檢測儀器，實時監測空氣中的甲烷濃度，并在檢測到高瓦斯濃度時觸發警報。利用安裝在煤層中的抽放鉆孔控制瓦斯，這些鉆孔直接接觸煤層，可以抽取存于其中的瓦斯，鉆孔直徑設置為100～150mm，根據地質情況確定其深入煤層的長度，一般為20～100m。針對煤巷掘進工作面，探測和鉆掘是關鍵步驟。在掘進前，應使用地質探針或先進的探礦設備來評估瓦斯分布情況。在爆破前，必須進行詳細的瓦斯檢查，確保瓦斯濃度在安全范圍內。鉆孔瓦斯濃度若超過40%，必須先抽放瓦斯后才能進行裝藥爆破。在實施爆破作業時，須在爆破前后30min內進行密集的瓦斯檢測，確保無瓦斯超標風險再啟動作業[4]。在掘進作業中，為防止瓦斯超標，使用長度可達200m的風筒系統，確保風筒末端與工作面的距離不超過10m，以保持足夠的通風量和風速，風速維持在0.5～1.0m/s。在特定工作條件下，如掘進面接近高瓦斯區域或地質構造復雜地區，采取增加通風量的措施，風速可提高至1.5m/s，迎頭通風不足時，應及時延接風筒。尤其是在貫通或揭露老巷（鉆孔）期間，必須先恢復老巷通風或制定專項透老巷措施。此外，所有掘進工作面的瓦斯抽采孔都應執行“成一孔抽一孔”的原則，防止多個鉆孔瓦斯同時大量涌出，造成安全風險。

1.4通風防塵工作

通過使用高效能風機來實現機械通風，這些風機具有強制輸送空氣的能力，實現巷道內的換氣和壓力平衡。例如：安裝具有至少10000m3/h的流量能力和2000Pa的靜壓力的軸流風機，以覆蓋更長的巷道距離，這些風機的布置需根據巷道的具體地質和空間結構進行優化設計，確保有效的空氣流通。自然通風則利用巷道內外的溫度、壓力和密度差異，促進空氣的自然流動。在設計時，考慮巷道的傾角和走向，利用重力和溫差來引導空氣流動，減少能耗。

在防塵方面，施工期間的灑水系統是關鍵。通過在巷道掘進機前端和煤壁旁設置噴水裝置，不僅可以有效地抑制粉塵飛揚，還可以在一定程度上減少瓦斯的積聚。噴嘴的設計要確保噴水覆蓋整個工作面，而水壓需維持在200～400kPa之間，以形成細小的水霧粒子，有效降低空氣中的粉塵濃度。

此外，為了更有效地控制瓦斯和粉塵的濃度，需根據巷道的長度、斷面以及瓦斯涌出量來定制通風管道系統。通風管道需有足夠的直徑（600～1200mm之間），以保持足夠的風量和風速，風速在2～5m/s之間，以有效稀釋瓦斯和粉塵。巷道內部的通風布局也需科學規劃，采用局部通風系統將新鮮空氣直接送入工作，設置風門控制巷道內的氣流方向和速度。對于通風防塵系統的運行狀態，需要通過安裝在巷道各關鍵點的空氣質量監測儀進行實時監控，這些監測儀能夠測量空氣中的甲烷、二氧化硫、一氧化碳等有害氣體的濃度，以及空氣中的粉塵濃度，通過傳感器，實時把數據傳輸至中控室，工作人員可以根據監測結果調整風機功率和噴水系統，確保巷道內環境符合安全健康標準。

2.煤炭采礦工程支護技術

2.1混凝土支護技術

對于預制混凝土襯砌，通過在地面預制具有特定彎曲強度和抗壓強度的混凝土板，然后將其運輸至礦井下安裝。這種襯砌板的尺寸根據巷道的尺寸定制，一般厚度為150～300mm，以確保足夠的結構強度。在安裝前，需對預制板進行表面處理，以確保其與巷道圍巖間有良好的接觸和結合。安裝時，使用專用的連接件和環氧樹脂等密封材料來固定并密封襯砌板，防止水和其他地下液體的滲入。噴射混凝土技術通過使用濕噴或干噴機械設備，將混凝土噴射到巷道的圍巖表面上。在噴射前，首先對圍巖表面進行清理，去除松動的巖石和灰塵，然后施加一層粘結劑以增強噴射混凝土與圍巖的粘結力。混凝土的配比包括水泥、砂、石子和必要的添加劑，以提高其流動性、粘附性和快速硬化性。在噴射過程中，噴射厚度控制在100～200mm，根據地質情況，可能需要分層噴射，每層間隔時間為幾小時到1d，以確保每層混凝土的適當固化。混凝土錨桿的使用為巷道提供了附加的穩定性，錨桿的安裝包括鉆孔、安裝鋼筋或纖維錨桿、注入灌漿。根據地質條件和錨桿，設計鉆孔的深度和直徑，直徑為25～40mm。使用的灌漿材料為特殊的水泥基混合物，其具有良好的流動性和早期強度，能夠在錨桿周圍形成堅固的圓柱體，提高錨固力。

2.2錨桿支護技術

根據圍巖的條件和巷道的具體需求，選擇鋼筋錨桿或纖維錨桿。鋼筋錨桿普遍用于較硬的巖石中，其直徑一般為20～25mm，長度從1.5m到4m不等，以適應不同的巖石條件和支護需求。纖維錨桿則適用于較松散或濕潤的地層，因其更好的抗腐蝕性和柔韌性，適合復雜的地質環境。在使用鉆孔機進行鉆孔時，鉆孔的直徑必須稍大于錨桿的直徑，以確保錨桿可以順利安裝。依據工程設計鉆孔深度，為錨桿長度加上10～30cm的儲備長度。根據巷道的斷面尺寸和巖層情況精確測量和規劃鉆孔位置和間距，形成均勻的支護網絡。錨桿安裝包括將錨桿插入鉆孔并使用適當的錨固劑固定。錨固劑常用的有快速硬化的水泥漿或樹脂，這些材料能迅速在錨桿與巖石間形成強力的粘結。對于水泥漿的比例調配，需要根據廠家的規格進行，確保最佳的粘結效果。在深鉆孔或潮濕條件下，可能優先選擇樹脂作為錨固劑，因其擁有快速固化和優越的水中性能。在錨桿安裝后，使用液壓張拉設備進行張拉，對每根錨桿施加100～200kN張力。張拉后，錨桿的外端用金屬板和螺母固定，以維持張力狀態。采用拉力測試儀和位移傳感器等設備定期檢測已安裝錨桿的張力和位移情況，確保其在長期負載下的穩定性和安全性。此外，對錨桿進行定期視覺檢查，查找任何可能的腐蝕或損傷，并進行必要的維護。

2.3預留煤柱支護技術

此技術通過在開采區域內有計劃地預留煤柱，以維持巷道的穩定性，減少地表沉降，并控制礦區的壓力環境。煤柱尺寸和形狀的決定因素包括煤層的厚度、圍巖的力學性質、覆巖深度及預期的采礦壓力。在礦區規劃階段，煤柱被劃分為規則的網格模式，每個網格代表一個采礦單元。網格的尺寸直接關聯到煤柱的大小，常見的尺寸為10m×10m～30m×30m，根據煤層的安全裕度和經濟效益對其進行調整。在采礦作業中，需嚴格規劃每個網格的開采順序和方式，以最小化對煤柱結構完整性的影響。對煤柱的定位，通常考慮如何有效控制開采區與未開采區之間的應力分布，煤柱應均勻分布在巷道周圍，特別是在重要結構如通風系統和運輸路線的附近，以增強整體的穩定性。在施工過程中，通過使用高精度的地面和地下測量設備，確保每個煤柱按設計精確放置[5]。此外，為了提高煤柱的承載能力，可采用化學注漿技術，通過在煤柱內部注入化學樹脂或水泥漿體來增加其穩定性，這種方法特別適用于存在大面積空洞或裂縫的煤柱，能有效提高煤柱的整體強度和抗變形能力。

2.4剛性支架支護技術

對于剛性支架的設計與安裝，首先需要根據地質條件和巷道尺寸進行詳細規劃。支架的主要組成部分包括立柱、橫梁和頂板，每個部件的規格和材質都需精心選擇。通常，支架立柱采用Q235或Q345鋼等高強度鋼材，直徑在200～300mm之間，壁厚為8～12mm，以提供足夠的承載能力和抗變形性能。對于橫梁和頂板的設計，則需考慮與立柱的連接方式和支撐區域的覆蓋范圍，確保結構的整體性。在具體施工中，首先，進行巷道的清理和初步測量，以確定支架的安裝位置，間距為1.0～1.5m；然后，安裝立柱，確保其垂直度和位置精確。立柱通常通過底部的基座固定在地面上，基座采用鋼板和錨栓固定，確保立柱在受到圍巖壓力時不會發生位移。安裝橫梁時，采用高強度螺栓或焊接方式將其固定在立柱上，橫梁的長度需與巷道寬度相匹配，通常為3～4m。頂板的安裝則需覆蓋整個巷道頂面，頂板通常采用鋼板或預制混凝土板，厚度在10～20mm之間，以提供足夠的抗壓強度。頂板與橫梁之間采用焊接或螺栓連接，確保頂板在受到圍巖壓力時能夠有效傳遞和分散應力。在安裝過程中，需使用專業設備如液壓起重機和高精度水平儀，確保每個部件的安裝位置和角度符合設計要求。安裝完成后，全面檢查整個支架系統，包括連接件的緊固情況、立柱的垂直度和頂板的平整度等。必要時，使用混凝土灌漿對立柱基座進行加固，以提高支架系統的整體穩定性。

3結語

合理的結構設計和優化的掘進流程控制可以保證巷道的穩定性；使用高效的氣體檢測儀器和抽放系統進行高效的瓦斯排放管理，保障礦井環境安全；通過科學的通風防塵措施，利用機械通風和灑水系統，有助于提升空氣質量。混凝土支護技術通過預制混凝土襯砌和噴射混凝土增強巷道強度；錨桿支護技術使用高強度鋼筋或纖維錨桿提高巖層穩定性；預留煤柱支護技術通過合理布局和監測提高巷道承載能力；剛性支架支護技術利用高強度鋼材和精密安裝確保巷道結構的長期穩定。通過綜合應用這些技術，煤炭采礦工程能夠在復雜地質條件下實現安全、高效的生產目標。

參考文獻

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