浅析煤矿井巷工程支护技术要点

浅析煤矿井巷工程支护技术要点
【摘要】煤矿井巷掘进施工，因围岩原应力平衡被破坏，造成顶帮岩层离层松动，易引发冒顶、片帮事故。

通过选用合理的支护方式，能有效防止围岩松动、裂隙的张开和新的破裂面的产生，使围岩避免受到水及风化的影响，达到稳定状态。

【关键词】巷道支护；支护方案；支护参数
目前，煤矿巷道主要采用两种支护形式。

一是外部支护，这种支护作用在围岩的外部，依靠支护结构的承载能力来承受地压。

在与岩石紧密结合的情况下，这种支护也能起到限制围岩变形、维持围岩稳定的作用。

二是锚杆支护，是指在天然的地层中钻孔至稳定地层中，插入锚杆，然后在孔中灌注水泥砂浆，置于稳定地层中的锚杆部分称为锚固段，利用锚固段的抗拔能力，维持土体或岩体的稳定。

1、支护形式的分析
对于软岩巷道的支护来说，关键是正确的确定软岩变形力学机制的复合型，有效的将复合型变形力学机制转化为单一型，合理的利用复合型变形机制的转化技术。

对于第一类的外部支护形式，现在应用最多的是金属支架支护。

这是因为金属支架具有其自身的一些优点，其承载能力大，可以多次复用，可缩量小，有利于防火，储运方便，安装容易，施工速度快。

从材料供应和经济效益来看也有许多有利之处。

尤其是近几年应用广泛的拱形可缩性金属支架，其通常是用矿用U 型钢制造，有较好的抗弯、抗扭性能，可以互换，并有良好的搭接性能。

利用连接件加紧后能在保持一定的工作阻力的条件下具有可缩性。

因而，能在一定程度上抑制巷道围岩变形，达到让压的目的。

此外，更由于其断面形状与顶板冒落后形成的自然平衡拱吻合，有利于保持巷道的稳定性，尤其适合于大断面巷道的支护。

其缺点是：巷道在使用的过程中，其表面喷射的混凝土，容易变形、起皮、
剥落、内移，而且一旦破坏修复比较困难。

在煤层开采厚度较小时，掘进巷道有
时需要挑顶，这会破坏顶板岩体的自然层理，降低巷道顶板的稳定性。

在巷道与
工作面连接处的巷道支护工艺较复杂，劳动量大。

此外，在非机械化掘进条件下，巷道断面成拱较困难。

对于第二类支护形式，即锚杆支护，是依靠增加围岩的自身作用来稳固巷道
围岩。

适用于大断面的巷道支护，以及围岩比较破碎、地应力大的围岩、围岩不
稳定和有断层影响等地质条件差的巷道支护。

由于其自身操作简单、成本低、巷
道使用断面大、通风阻力小、具有初承力等特点，受到了越来越广泛的应用。

相比第一类金属支架支护，锚喷支护有不可替代的优越性：
1.1 降低了巷道的支护成本。

1.2 较好的保障了工作面的快速推进。

1.3 其支护原理更先进。

1.4 锚喷支护的适应性更强。

1.5 提高了巷道断面的利用率。

1.6 减轻了工人的劳动强度。

2、支护关键技术
2.1锚喷支护
从围岩的自身属性以及环境因素来看，巷道的支护应该采用锚、喷、网、索、注联合支护。

锚喷支护有多种形式，锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷支护、锚
喷网支护、锚喷网架支护、锚喷网索支护、锚喷网索注支护等形式。

锚喷支护是锚杆与混凝土相结合形成的，对巷道的支护效果良好。

钢纤维混
凝土的一系列性能均优于素混凝土，特别是具有良好的韧性，相比素混凝土大约
提高10-50倍，抗冲击能力提高8-30倍。

故适合在膨胀岩体、高地应力巷道施
工采用。

钢纤维混凝土内部填充的钢纤维一般是碳素钢纤维，其直径为0.3-
0.5mm，长度为20-25mm，其抗拉强度大于380 Mpa,故钢纤维混凝土的破坏不是钢纤维被拉断，而是钢纤维从混凝土中拉出。

2.2高强锚杆。

对于一些大断面以及围岩破碎的巷道的开挖，仅靠一般的锚杆是不能满足要求的，这就需要一种高性能的锚杆。

目前应用的高性能锚杆大多是高强螺纹钢锚杆。

是将普通螺纹钢锚杆通过合理的工艺方式和工艺参数，进行整体强化热处理而成。

其屈服强度为703Mpa,极限强度为811Mpa。

所以，在支护时应用，不仅可以大大降低巷道的变形量，保证安全可靠，而且可以适当增大锚杆间排距，从而提高掘进速度，降低成本。

2.3锚索。

锚索作为一种新型的加强支护形式，由于锚固深度大，可以将下部不稳定岩层锚固在上部稳定岩层中。

同时，可以施加预应力，主动支护围岩，从而充分调动巷道深部的围岩强度。

在巷道支护中得到广泛应用。

3、支护参数的确定
锚杆支护的参数有锚杆的长度、直径、锚固力；锚杆的间距、排距及锚杆的方向等。

其中长度、间排距为主要参数。

3.1锚杆长度
3.1.1顶板锚杆长度按下式计算：
式中：f—顶板普氏系数，f=3；
B—巷道有效跨度，m(取B=7.0m)；
—顶板杆锚杆外露长度，mm(取50mm) 。

3.1.2两邦锚杆长度按下式计算：
根据松动圈理论来确定锚杆的长度，以此长度作为参考，然后再结合具体的施工情况来确定锚杆的长度参数。

式中：—锚杆理论计算总长度，m；
—锚杆的外露长度，一般取0.1m；
—锚杆伸入到稳定岩层的长度，取。

—围岩塑性区厚度，m，即
式中：—断面等效半径，（m）；
—围岩的内摩擦角（0）；
—围岩的内聚力，（kPa）；
—巷道上覆岩层的加权平均容重，（kPa）；
—巷道的平均埋深，（m）。

因此，由以上公式计算得锚杆总长度，结合现场实际情况进行调整。

如减小锚杆长度，其支护强度也必然降低，为了弥补锚杆长度变短所带来的支护强度影响，可采用注浆锚索来弥补。

3.2锚杆直径
D =
式中：—材料的许用强度,Mpa ；
D—锚杆的直径,mm ；
r—极限平衡区煤或岩石的体积质量,KN/ (取18 KN/ ) ；
n—荷载备用系数,（取2）；
h—巷道半高,m ；
R—极限平衡区半径,m ；
S—每根锚杆维护的面积，。

3.3锚杆间排距
在巷道设计时，考虑使锚杆的间距与排距相等，则有：
M = =N
式中：M—锚杆间距，m ；
N—锚杆排距，m 。

3.4锚杆的角度
在巷道的顶部和两帮取锚杆的控制角为45度。

而对于底板内部为防止其底鼓而设置的锚杆，其底板两侧锚杆与底板成60度角。

4、巷道底臌的防治措施
底臌是软岩巷道普遍存在且较难治理的一个问题，国内外对软岩巷道底臌治理研究已做了大量的工作，且取得了较好的效果，针对该矿井地应力大，底板上鼓严重的现象。

其主要治理方式有以下几个方面：
4.1底板锚杆
采用锚杆加固底板应考虑的主要因素包括底板岩性和强度、底板中滑动层理的数量、底板岩石的水敏性、岩层的完整性等，用锚杆加固底板的条件是底板岩
层主要为砂岩、砂页岩、粘土页岩等，且分层厚度大于20cm，无很多滑动层理，底板岩层的整体性好，无原始破坏，通过锚杆的作用，形成底板组合梁结构，减少底臌。

4.2注浆加固法
其实质是在已破坏的底板处打若干钻孔，在钻孔中注入浆液，浆液渗入岩层破碎面，浆液凝固后将已破碎的的岩层重新粘结为整体，从而可部分或全部恢复岩层的原始强度，提高底板承载能力，减少巷道底臌。

4.3底板砼拱及可缩性钢拱支架或底板梁（图3-3-1）
这种支护方式可分别使用，也可组合使用，主要用于永久巷道的底板支护，适应能力强，比锚杆加固底板有利。

图3-3-1混凝土反底拱与可缩性钢拱支护
4.4底板卸载法
通过开底板卸载槽、底板卸载钻孔、底板卸载爆破等方法，将巷道边缘处的高应力转移至内部具有支撑能力未破坏的岩层中，可以起到减少底臌的作用。

4.5底角锚杆
在巷道两帮底角处打一倾斜锚杆，将帮上的高应力传至岩层深部，减少底板岩层上的应力集中，亦可减少底臌。

5、结论
煤矿井巷掘进施工，选用合理的支护方式，能有效防止围岩松动、巷道变形，使围岩达到稳定状态。

【作者简介】
杜长清，男，1994年9月生，2015年毕业于江苏建筑职业技术学院，就职
于江苏矿业工程集团有限公司矿建分公司安全生产部，助理工程师，2019年被评
为“优秀大学生”。