论文部分内容阅读
【摘 要】 煤矿安全关乎职工的生命。在煤矿生产过程中会发生诸多事故，其中煤矿掘进巷道顶板事故就是主要灾害之一。总结破碎顶板煤巷掘进的支护，目的在于为煤矿安全生产提供技术保障，避免安全事故发生。本文分析了顶板事故的发生及影响因素，提出了断面优化及巷道支护施工的方式，从而正确支护井巷、掘进巷道断面，预防顶板事故。
【关键词】 煤矿掘进巷道；顶板事故；支护形式；断面设计
煤矿安全关乎职工的生命。在煤矿生产过程中会发生诸多事故，其中煤矿掘进巷道顶板事故就是主要灾害之一。煤矿巷道破碎顶板事故会给企业财产和职工生命造成极大损害，加强对破碎顶板煤巷掘进的支护技术的研究，有利于预防事故，减少伤害。
一、煤矿掘进巷道破碎顶板事故
煤矿巷道破碎顶板事故指的是矿工在采煤的时候，顶板突然破碎冒落，最终导致采煤人员伤亡、采煤设备损坏、采煤工程停止。一般情况下，根据煤体的强度以及煤体层理发育程度，确定断面形状以及支护形式。在实际生产过程中，巷道可能出现断层，顶板容易松动或者破碎。因此，研究断面形状、支护形式以及设计参数对顶板事故的影响，可以改善巷道围岩的受力情况以及变形情况，有效预防煤矿顶板事故。
二、掘进巷道断面的影响因素
根据煤层的沉积特征以及煤体强度，为了保证顶板的稳定，山西朔州华美奥兴陶煤矿的巷道断面采用的是矩形断面。但是在特殊的地质条件下，巷道围岩受力情况以及变形情况取决于巷道断面和地应力环境。巷道断面的形状有矩形、拱形、圆形以及梯形等。断面形状的选择与矿井的压力、巷道的支护、巷道的掘进以及生产成本有着非常重要的关系。
1.矿井的压力大小和方向
一般情况下，煤矿在对巷道断面形状进行选择的时候，矿井的压力大小和方向起着非常重要的作用。如果矿山压力比较大，甚至出现底鼓现象的时候，巷道断面形状可以选择圆形或者马蹄形；如果矿山压力比较小，巷道围岩比较坚固稳定，巷道使用期限不长的时候，可以选择梯形或者矩形的断面形状。如果顶板压力和侧向压力都比较大的时候，断面的形状选择封闭的圆形或者椭圆形；如果顶板压力比较大，侧向压力比较小的时候，巷道断面的形状选择拱形；如果顶板压力和侧向压力都比较小的时候，巷道断面的形状可以选择矩形或者梯形，从而有效控制巷道围岩的变形情况和实际受压情况。目前，随着支护工艺的进步，拱形巷道断面以及半圆形巷道断面的选用越来越普遍，比如运输巷道以及车场巷道等。
2.巷道的掘进设备和方法
巷道断面也受到巷道掘进设备以及掘进方法的影响。我国的巷道掘进大多采用钻眼爆破法。随着科学技术的发展，煤矿巷道的掘进趋于机械化，尤其是锚杆锚喷支护方式的广泛采用，大大简化了巷道的设计和施工难度。目前，我国煤矿巷道的断面形状多采用半圆拱断面或者圆弧拱形断面。
3.巷道的支护材料和方式
巷道的支护材料和支护方式也会影响到巷道断面形状的选择。如果选择工字钢支护方式，那么巷道断面形状多选用梯形；如果选择U形钢支护方式，那么巷道的断面形状多选用拱形、圆形或者椭圆形。目前。我国的支护方式多采用锚杆锚喷的支护方式，巷道断面的形状一般选用梯形。
三、煤矿掘进巷道的支护施工
巷道围岩在高应力的作用下，由于向巷道内挤入，所以很容易发生软化以及破碎的现象，而巷道的顶板受到挤压，很容易发生弯曲变形的现象。另外，巷道内经常会出现底鼓现象。因此，巷道的支护施工非常重要。
1.巷道支护的设计原则
在巷道的支护施工过程中，一定要遵守支护原则：支护设计以护为基础，采用带压和让压支护，采用高强度的锚杆和锚索支护，控制巷道围岩的受压情况和变压情况；以加强支护为重点，防止巷道岩层的破碎和脱落，防止锚杆和锚索的失效，防止巷道由于局部变形而遭到损坏。
2.掘进巷道的支护形式
（1）预留煤柱支护。预留煤柱是传统的巷道支护形式。由于巷道的上区段为运输平巷，下区段为回风平巷，在上区段与下区段之间预留一定宽度的煤柱，使回风平巷避开支撑压力的峰值区。预留煤柱支护技术非常简便，而且还有利于通风和排水。但是预留煤柱支护也存在一定的缺点，预留煤柱支护的支护费非常高，煤柱的损失非常大，而且巷道的维护非常困难。煤柱的支撑压力传播到底部，会对临近巷道的稳定以及临近煤层的开采造成一定的影响，还会成为冲击地压的安全隐患。
（2）矿用支护型钢。矿用支护型钢主要有U形钢和工字钢，矿用支护型钢主要用于圆形、半圆拱形以及椭圆形的巷道断面。矿用支护型钢的韧性非常好，矿用支护型钢还具有非常高的抗拉、抗压、以及抗剪强度。由于使用环境非常恶劣，使用条件相当复杂，因此，矿用支护型钢的性能要求非常高。
巷道的支架需要承受横向载荷以及纵向推力，所以巷道支架两个方向上都应该具有足够的承载负荷能力，矿用支护型钢断面的集合参数取决于抗弯截面模量，抗弯截面模量应该与巷道支架的承载负荷能力数值接近。另外，矿用支护型钢的集合形状与支架的可缩性能还存在着一定的关系，尤其是对U形钢影响，所以，矿用支护型钢的集合形状在锁紧和滑移的时候，应该满足矿用支护型钢接触面面积大、滑移平稳而且受力状况良好的要求。
（3）可缩性支架。金属支架的承载负荷能力包括实际承载能力以及极限承载能力。可缩性支架在收缩阶段表现出来的承载能力就是实际承载能力，实际承载能力取决于连接件和支架的工作状况。可缩性支架在刚性阶段表现出来的最大承载能力就是极限承载能力，极限承载能力的标准是不出现塑性变形。一般情况下，极限承载能力大于实际承载能力，而可缩性支架最理想的状态就是实际承载能力与极限承载能力接近。
（4）锚杆支护。锚杆是锚固在巷道岩层内的杆状物，锚杆可以加强巷道围岩的稳定。围岩与锚杆共同形成了锚杆支护系统。煤矿巷道的地质环境不同，锚杆的功能也不同。目前，我国的锚杆支架主要三种：摩擦式锚杆，比如缝管式锚杆等；机械式锚杆，比如楔缝式锚杆等；粘结式锚杆，比如水泥砂浆锚杆以及树脂锚杆等。锚杆支护主要是为了加固巷道围岩，加强巷道围岩的稳定性。锚杆支护可以使巷道围岩从载荷体变成围岩承载体。根据相关研究，在地质条件相同的情况下，比较金属支护和锚杆支护的作用发现，巷道围岩的移近量减少了一半。
在实际煤矿巷道支护过程中，当单体锚杆无法控制巷道围岩的时候，我们还可以采用组合锚杆的支护形式。组合锚杆有两种形式：一种是树脂锚杆支护形式，树脂锚杆的掩护网可以选择金属菱形网和金属经纬网等，在实践中效果较好的树脂锚杆有：W型钢带和M型钢带等；另外一种是桁架锚杆支护形式，桁架锚杆的组成包括锚杆、拉紧器以及垫块等。
3.巷道支护的施工要求
（1）锚杆的安装要求。当安装巷道锚杆的时候，钻孔一定要达到一定的深度。对于钻孔的孔眼，采用气冲和水冲的方式，将孔眼内的煤尘以及岩粉等清除干净，并且测试锚杆能否在钻孔中自由转动。测试完毕之后，用锚杆将树脂锚固剂推入底部，然后用驱动风煤钻，使风煤钻带动锚杆在钻孔内转动30秒左右。大约15分钟以后，树脂和固化剂就能够充分固化，这个时候，加上托板，用扭力扳手将螺母拧紧。
（2）金属网的安装要求。在挂金属网的时候，首先要把钻孔孔眼周围的煤岩层铲平，在巷道前进的垂直方向，将金属网紧贴着顶板，然后用托板螺母拧紧。对于巷道支护的金属网，可以选用40mm×40mm编制的菱形金屬网。
（3）巷道支护材料的消耗。一般情况下，每米巷道支护材料需要10根金属锚杆、10个金属托板、6个木托板、14卷锚固剂、8.1m2的金属网。
四、结语
根据实际地质条件与岩层性质，选择合适的巷道断面形状以及巷道支护方式，优化断面设计、防止巷道冒顶，可以有效加固巷道围岩，保障巷道的质量，预防顶板事故，减少煤矿工人的操作危险。
参考文献：
[1]郑伟.浅谈新疆焦煤集团1890煤矿掘进巷道支护方式[J].能源技术与管理，2012，（3）.
[2]林大力.煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究[J].现代矿业，2011，（4）.
[3]郭保林.煤矿巷道掘进施工技术要点探析[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（4）.
【关键词】 煤矿掘进巷道；顶板事故；支护形式；断面设计
煤矿安全关乎职工的生命。在煤矿生产过程中会发生诸多事故，其中煤矿掘进巷道顶板事故就是主要灾害之一。煤矿巷道破碎顶板事故会给企业财产和职工生命造成极大损害，加强对破碎顶板煤巷掘进的支护技术的研究，有利于预防事故，减少伤害。
一、煤矿掘进巷道破碎顶板事故
煤矿巷道破碎顶板事故指的是矿工在采煤的时候，顶板突然破碎冒落，最终导致采煤人员伤亡、采煤设备损坏、采煤工程停止。一般情况下，根据煤体的强度以及煤体层理发育程度，确定断面形状以及支护形式。在实际生产过程中，巷道可能出现断层，顶板容易松动或者破碎。因此，研究断面形状、支护形式以及设计参数对顶板事故的影响，可以改善巷道围岩的受力情况以及变形情况，有效预防煤矿顶板事故。
二、掘进巷道断面的影响因素
根据煤层的沉积特征以及煤体强度，为了保证顶板的稳定，山西朔州华美奥兴陶煤矿的巷道断面采用的是矩形断面。但是在特殊的地质条件下，巷道围岩受力情况以及变形情况取决于巷道断面和地应力环境。巷道断面的形状有矩形、拱形、圆形以及梯形等。断面形状的选择与矿井的压力、巷道的支护、巷道的掘进以及生产成本有着非常重要的关系。
1.矿井的压力大小和方向
一般情况下，煤矿在对巷道断面形状进行选择的时候，矿井的压力大小和方向起着非常重要的作用。如果矿山压力比较大，甚至出现底鼓现象的时候，巷道断面形状可以选择圆形或者马蹄形；如果矿山压力比较小，巷道围岩比较坚固稳定，巷道使用期限不长的时候，可以选择梯形或者矩形的断面形状。如果顶板压力和侧向压力都比较大的时候，断面的形状选择封闭的圆形或者椭圆形；如果顶板压力比较大，侧向压力比较小的时候，巷道断面的形状选择拱形；如果顶板压力和侧向压力都比较小的时候，巷道断面的形状可以选择矩形或者梯形，从而有效控制巷道围岩的变形情况和实际受压情况。目前，随着支护工艺的进步，拱形巷道断面以及半圆形巷道断面的选用越来越普遍，比如运输巷道以及车场巷道等。
2.巷道的掘进设备和方法
巷道断面也受到巷道掘进设备以及掘进方法的影响。我国的巷道掘进大多采用钻眼爆破法。随着科学技术的发展，煤矿巷道的掘进趋于机械化，尤其是锚杆锚喷支护方式的广泛采用，大大简化了巷道的设计和施工难度。目前，我国煤矿巷道的断面形状多采用半圆拱断面或者圆弧拱形断面。
3.巷道的支护材料和方式
巷道的支护材料和支护方式也会影响到巷道断面形状的选择。如果选择工字钢支护方式，那么巷道断面形状多选用梯形；如果选择U形钢支护方式，那么巷道的断面形状多选用拱形、圆形或者椭圆形。目前。我国的支护方式多采用锚杆锚喷的支护方式，巷道断面的形状一般选用梯形。
三、煤矿掘进巷道的支护施工
巷道围岩在高应力的作用下，由于向巷道内挤入，所以很容易发生软化以及破碎的现象，而巷道的顶板受到挤压，很容易发生弯曲变形的现象。另外，巷道内经常会出现底鼓现象。因此，巷道的支护施工非常重要。
1.巷道支护的设计原则
在巷道的支护施工过程中，一定要遵守支护原则：支护设计以护为基础，采用带压和让压支护，采用高强度的锚杆和锚索支护，控制巷道围岩的受压情况和变压情况；以加强支护为重点，防止巷道岩层的破碎和脱落，防止锚杆和锚索的失效，防止巷道由于局部变形而遭到损坏。
2.掘进巷道的支护形式
（1）预留煤柱支护。预留煤柱是传统的巷道支护形式。由于巷道的上区段为运输平巷，下区段为回风平巷，在上区段与下区段之间预留一定宽度的煤柱，使回风平巷避开支撑压力的峰值区。预留煤柱支护技术非常简便，而且还有利于通风和排水。但是预留煤柱支护也存在一定的缺点，预留煤柱支护的支护费非常高，煤柱的损失非常大，而且巷道的维护非常困难。煤柱的支撑压力传播到底部，会对临近巷道的稳定以及临近煤层的开采造成一定的影响，还会成为冲击地压的安全隐患。
（2）矿用支护型钢。矿用支护型钢主要有U形钢和工字钢，矿用支护型钢主要用于圆形、半圆拱形以及椭圆形的巷道断面。矿用支护型钢的韧性非常好，矿用支护型钢还具有非常高的抗拉、抗压、以及抗剪强度。由于使用环境非常恶劣，使用条件相当复杂，因此，矿用支护型钢的性能要求非常高。
巷道的支架需要承受横向载荷以及纵向推力，所以巷道支架两个方向上都应该具有足够的承载负荷能力，矿用支护型钢断面的集合参数取决于抗弯截面模量，抗弯截面模量应该与巷道支架的承载负荷能力数值接近。另外，矿用支护型钢的集合形状与支架的可缩性能还存在着一定的关系，尤其是对U形钢影响，所以，矿用支护型钢的集合形状在锁紧和滑移的时候，应该满足矿用支护型钢接触面面积大、滑移平稳而且受力状况良好的要求。
（3）可缩性支架。金属支架的承载负荷能力包括实际承载能力以及极限承载能力。可缩性支架在收缩阶段表现出来的承载能力就是实际承载能力，实际承载能力取决于连接件和支架的工作状况。可缩性支架在刚性阶段表现出来的最大承载能力就是极限承载能力，极限承载能力的标准是不出现塑性变形。一般情况下，极限承载能力大于实际承载能力，而可缩性支架最理想的状态就是实际承载能力与极限承载能力接近。
（4）锚杆支护。锚杆是锚固在巷道岩层内的杆状物，锚杆可以加强巷道围岩的稳定。围岩与锚杆共同形成了锚杆支护系统。煤矿巷道的地质环境不同，锚杆的功能也不同。目前，我国的锚杆支架主要三种：摩擦式锚杆，比如缝管式锚杆等；机械式锚杆，比如楔缝式锚杆等；粘结式锚杆，比如水泥砂浆锚杆以及树脂锚杆等。锚杆支护主要是为了加固巷道围岩，加强巷道围岩的稳定性。锚杆支护可以使巷道围岩从载荷体变成围岩承载体。根据相关研究，在地质条件相同的情况下，比较金属支护和锚杆支护的作用发现，巷道围岩的移近量减少了一半。
在实际煤矿巷道支护过程中，当单体锚杆无法控制巷道围岩的时候，我们还可以采用组合锚杆的支护形式。组合锚杆有两种形式：一种是树脂锚杆支护形式，树脂锚杆的掩护网可以选择金属菱形网和金属经纬网等，在实践中效果较好的树脂锚杆有：W型钢带和M型钢带等；另外一种是桁架锚杆支护形式，桁架锚杆的组成包括锚杆、拉紧器以及垫块等。
3.巷道支护的施工要求
（1）锚杆的安装要求。当安装巷道锚杆的时候，钻孔一定要达到一定的深度。对于钻孔的孔眼，采用气冲和水冲的方式，将孔眼内的煤尘以及岩粉等清除干净，并且测试锚杆能否在钻孔中自由转动。测试完毕之后，用锚杆将树脂锚固剂推入底部，然后用驱动风煤钻，使风煤钻带动锚杆在钻孔内转动30秒左右。大约15分钟以后，树脂和固化剂就能够充分固化，这个时候，加上托板，用扭力扳手将螺母拧紧。
（2）金属网的安装要求。在挂金属网的时候，首先要把钻孔孔眼周围的煤岩层铲平，在巷道前进的垂直方向，将金属网紧贴着顶板，然后用托板螺母拧紧。对于巷道支护的金属网，可以选用40mm×40mm编制的菱形金屬网。
（3）巷道支护材料的消耗。一般情况下，每米巷道支护材料需要10根金属锚杆、10个金属托板、6个木托板、14卷锚固剂、8.1m2的金属网。
四、结语
根据实际地质条件与岩层性质，选择合适的巷道断面形状以及巷道支护方式，优化断面设计、防止巷道冒顶，可以有效加固巷道围岩，保障巷道的质量，预防顶板事故，减少煤矿工人的操作危险。
参考文献：
[1]郑伟.浅谈新疆焦煤集团1890煤矿掘进巷道支护方式[J].能源技术与管理，2012，（3）.
[2]林大力.煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究[J].现代矿业，2011，（4）.
[3]郭保林.煤矿巷道掘进施工技术要点探析[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（4）.