浅析煤矿巷道的支护形式及巷道掘进的影响因素研究
摘要：众所周知，煤矿掘进工作支护安全问题是困扰煤炭生产多年的一项技术难题。本文系统归纳了煤矿开采的主要形式，探讨了煤矿巷道的相关支护形式及技术，通过探讨煤矿巷道掘进的影响因素，旨在增进对掘进技术的认识，加强我们的采矿专业的专业素养。
关键词：煤矿巷道；支护形式；巷道掘进；影响因素 引言
我国煤层赋存条件复杂，呈现多样性，煤层厚度从零点几米到几十米之间变化，为了开采煤炭，需要开掘大量的煤岩巷道。掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。支护的安全问题是长期困扰煤炭生产的技术难题，由于巷道掘进后顶板不能及时得到有效的支护，经常会造成顶板掉矸伤人事故。本文讲述了几种煤矿巷道的相关支护形式及支护技术，以供同行参考。
1.煤矿开采的主要形式 1.1井下采煤
对于倾角10°以上的煤层一般分水平开采，每一水平又分为若干采区，先在第一水平依次开采各采区煤层，采完后再转移至下一水平。开采近水平煤层时，先将煤层划分为几个盘区，立井于井田中心到达煤层后，先采靠近井筒的盘区，再采较远的盘区。如有两层或两层以上煤层，先采第一水平最上面煤层，再自上而下采另外煤层，采完后向第二水平转移。
按落煤技术方法，地下采煤有机械落煤、爆破落煤和水力落煤三种，前二者称为旱采，后者称为水采，我国水采矿井仅占1.57%。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者为主。壁式采煤法工作面长，一般100～200 m，可以容纳功率大，生产能力高的采煤机械，因而产量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般6～30 m，由于工作面短，顶板易维护，从而减少了支护费用，主要缺点是回采率低。
1.2露天采煤
移走煤层上覆的岩石及覆盖物，使煤敞露地表而进行开采称为露天开采，其中移去土岩的过程称为剥离，采出煤炭的过程称为采煤。露天采煤通常将井田划分为若干水平分层，自上而下逐层开采，在空间上形成阶梯状。
其主要生产环节：首先用穿孔爆破并用机械将岩煤预先松动破碎，然后用采掘设备将岩煤由整体中采出，并装入运输设备，运往指定地点，将运输设备中的剥离物按程序排放于堆放场；将煤炭卸在洗煤厂或其他卸矿点。
2.煤矿巷道的支护形式
根据支护对围岩的作用方式可将煤矿巷道支护分为4类：支护力作用在巷道围岩表面的支护方式；支护力不但作用在围岩表面，而且作用在围岩内部的支护方式；改善巷道围岩力学性质，提高围岩强度的加固方法；改善巷道围岩应力状态，使巷道处于应力降低区。
2.1砌碹支护
砌碹支护是应用很早的支护方式，目前在一些矿井的硐室、大巷中仍然采用。
按砌碹支护材料可分为:料石、混凝土砌块、现浇混凝土、现浇钢筋混凝土等。但是，砌碹支护属于刚性被动支护，不仅支护成本高、施工速度慢，劳动强度大，而且不能适应围岩大变形。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。
2.2棚式支架
煤矿巷道的主要支护方式是棚式支护，在20世纪90年代初，这种支护所占的比重高达80%以上。按支护材料可分为木支架、钢筋混凝土支架及金属支架，其中木支架与钢筋混凝土支架已经逐步被淘汰。金属支架按工作原理分刚性与可缩性支架；按支架材料分为工字钢、U型钢及其它；按断面分为梯形、拱形、圆形、环形。但是，棚式支架也属于被动支护，支架与巷道表面很难密切接触，控制围岩早期变形的能力差，在复杂困难条件下支护效果差、成本高。棚式支架的用量在逐年减少，被锚杆支护逐渐替代。
2.3锚喷支护
1956年开始我国煤矿在岩巷中开始使用锚喷支护，至今已有50多年的历史。喷射混凝土可及时封闭巷道周边，实施密贴支护，减少水、风对围岩强度的影响。锚杆可及时支护围岩，起到主动加固作用，充分发挥围岩的自承能力。经过多年来连续不断的研究、试验与推广应用，锚喷支护技术无论在支护理论、支护设计，还是支护材料、施工机具与工艺、质量检测与矿压监测方面都取得了长足发展。锚喷支护不仅成为岩巷首选的、性能优越的支护形式，而且锚杆支护也成为煤巷的主体支护方式。
2.4注浆加固
在破碎煤岩体中开掘或维修巷道，采用棚式支护或锚杆支护很难取得较好的支护效果，围岩注浆加固是一条有效途径。注浆浆液可充填围岩裂隙，将破碎岩体固结，改善围岩结构，增加围岩自身承载能力。目前注浆材料主要有两大类型:水泥基材料和高分子材料，可根据巷道地质与生产条件选取。
2.5复合支护
复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。如果能充分发挥每种支护方式的支护性能，做到优势互补，复合支护会有更好的支护效果和更广泛的适用范围。复合支护虽然适用范围广，但支护费用高，成巷速度慢，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破的情况。应针对巷道具体条件，选择合理的复合支护形式，才能达到预期效果。
2.6应力控制技术
将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是巷道围岩变形控制的另一个途径。将巷道布置在应力降低区是首选的方法。巷道布置方向优化、断面形状与尺寸优化，均可改善巷道受力状况。人工应力控制措施主要有切缝、钻卸压孔、爆破及掘卸压巷等方式。由于人工应力控制方法施工比较复杂，目前还没有大面积推广应用。
3.煤矿巷道掘进的影响因素研究
巷道掘进是一个系统工程，影响因素较多，将其归纳以下三个主要方面：人的因素；施工机械设备及生产技术因素；施工工作地点安全因素。三者之间如“木桶理论”一样，任何一个环节的欠缺都会影响到整个掘进施工的进度。
3.1人的因素
3.1.1施工人员的素质培养
一项工程如果没有人的参与，其永远不可能实现。无论是全自动机械化作业还是全人工原始施工，施工人员是关键因素，在施工过程中起积极能动作用，超
过其他任何因素，其具体包括以下两点：
（1）劳动者的素质
影响地下矿山井巷掘进的因素很多，比如操作人员没有按照规程作业，操作人员文化水平比较低，对生产工艺不熟悉，对生产设备的性能了解不够，操作不熟练等等。因此，在施工前和劳动过程中，加大对工人的技能培训尤为重要，劳动者的劳动技能获得改善，可极大提高工作效率。在掘进施工中，在人员配备上做到工种齐全、分工明确、密切配合，各工程衔接紧密，有效地利用工时，提高工效、提高工人素质，培养出尽可能多的多面手，只有这样才能使其掘进效率保持较高的水平。
（2）管理者的能力
施工过程中，作业规程编制及技术交底质量差，对生产的指导性不强；安全规程不完善，现场管理不到位或制定的管理制度未认真贯彻；技术人员业务素质低，巷道掘进设计不合理，生产工艺不完善，支护设计不合理等都会给生产造成隐患，从而影响施工的顺利进行。
3.1.2管理组织形式 （1）基本管理制度
健全和坚持以岗位责任制为中心的各项管理制度，是施工技术措施、施工设备和施工组织得以顺利实施的保证，是加快施工速度、降低生产成本、保证施工质量和安全的基础。
（2）合理的施工方法 对于巷道掘进，采取一次性开挖成型或多次开挖成型方式，根据围岩情况进行超前支护或初期支护，必要地段加强支护，以保证安全。在支护过程中，改善施工艺，如采用湿喷工艺、发挥围岩自承能力的锚杆支护等，既减少工人劳动强度，又改善施工环境。
（3）科学的施工组织
确定每个工序作业时间和循环时间，尽量压缩关键线路上关键工序外时间；多工序平行作业；编制合理高效的循环图表，优化劳动组织；合理选择施工作业方式和循环方式；确定循环合理的循环进尺。
3.2施工机械设备及生产技术因素 3.2.1机械设备 钻眼、爆破与装运是巷道施工中主要工序，而钻眼与装运设备的合理选择及使用将直接决定巷道掘进速度。
（1）钻眼
我国部分工程项目已采用单臂、双臂或三臂凿岩台车进行施工，但就我国凿岩设备使用及更新程度来说，大部分仍停留在第一、第二代水平，即气腿凿岩机或半液压凿岩台车水平。而国外在大断面巷道中已基本采用盾构机或TBM掘进机，小断面内均采用凿岩台车，使得钻孔时由换钎、定位、开孔钻孔、返钎均全部自动化控制。另外，60年代美国第一台直径3.1m的全断面掘进机试验成功（页岩中月进尺达到2087.6m），给巷道掘进带来新的。又经近五十年来不断研究，从技术角度出发，它已能在任何岩石中钻进。由于全断面掘进机掘进速度快，成本低，工效高，巷道掘进质量好，又安全可靠，所以其势必将取代其他凿岩设备。
（2）装运
装岩工序在平巷掘进中占整个循环时间的30～50%，当前国内已基本实现机
械化作业。从五十年代到现在，我国工程施工中装运机械共进行了四个阶段的更新，在装岩上总的趋势是从效率低的装载设备为主的间断出碴设备配套，向高效率连续出碴设备配套发展，即采用连续作业的蟹爪式或立爪式装载机与皮带转载机和矿车配套，或采用的无轨铲运机出碴或与大吨位自卸汽车配套出碴，其可把掘进工效提高1～2倍，采准时间缩短75～80%。
3.2.2生产技术
根据我国井巷掘进当前施工水平，广泛采用的仍是钻爆法施工，而支护方式基本为锚喷支护。该方法在施工速度、安全质量、劳动强度、生产成本方面均优于传统的架棚支护和砌碹支护方式。但施工中仍存在一些问题，如由于巷道成形欠佳造成网、喷质量差，锚杆安装质量不好等，对于围岩较差地段不但会存在安全隐患，而且还会制约井巷掘进进度。
（1）改进光爆技术，加强巷道成形
当前巷道爆破均采用光面爆破，而大多为浅孔爆破，为提高进尺，可从加大孔深和孔径入手，并且经多年实践，中深孔（5m）爆破也是可行的。同时，为加强巷道成型，由于加大孔径而减少的扩炮孔数量可转移至周边，即增加周边眼数量，保证光爆效果。而且，增加孔深和炮眼数可以提高台车的纯钻眼时间，充分发挥高效设备的利用率。
（2）合理选择锚杆，提高安装质量 锚杆是否发挥作用，最关键是选型是否正确及安装规范与否。不同围岩需选用合理的锚杆，如砂浆锚杆、树脂锚杆、中空注浆锚杆及预应力锚索、对穿顶应力锚索等。锚杆安装角度、锚垫板是否贴紧岩面及注浆是否饱满，都将直接影响锚固质量。
（3）选用合格材料，保证网喷质量
金属网主要增加喷砼的抗弯强度和韧性，但其安装时必须紧贴岩面。选用合格的喷浆料生产砼，并选择湿喷工艺，不但可提高喷浆效果，减少回弹率，还可改善工作环境。
3.3施工地点安全 3.3.1自然因素 地下突水、瓦斯、高地温及高压力围岩变形等自然灾害将直接危害巷道施工安全，其在施工中可借助相关设备进行监测，采取必要措施达到安全条件，但其势必影响施工进度。
3.3.2人为因素
平巷掘进，基本为独头施工，掌子面空间狭小，人员、机械较多，空气质量差，特别是钻眼和出碴时。对此必须加强通风，保证空气质量及能见度，减少安全隐患。人在施工中的随意性，是最不安全因素。在保证个人施工能力及操作规范性同时，安排合理工作时间、保持施工人员的良好施工状态，也是安全施工必备条件。
4.结论
我国的煤炭工业经过了几十年的发展，煤矿开采技术、巷道系统布置已日渐成熟，锚杆支护技术是继我国煤矿成功应用综合机械化采煤技术以来采掘技术的又一次。它不仅保证了采煤工作面的安全、快速、高效推进, 煤炭产量和效益的大幅度增长, 而且深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式。
