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煤矿弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术研究

2025-05-22 20 上传者：管理员

摘要：弱胶结软岩巷道因其特殊的物理力学性质，容易发生变形和破坏，给煤矿安全生产带来严重威胁。因此，开展了煤矿弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术研究。实际应用中，首先通过深入分析，确定合理的巷道支护方案参数，为支护设计提供科学依据；其次，采用锚杆支护技术，通过锚杆与围岩的相互作用形成稳定承载结构，以控制巷道变形；最后，引入综合机械化掘进技术，实现高效、精准的巷道掘进作业，并与锚杆支护协同作用，提升巷道稳定性和施工效率。工程实践中，通过90 d的连续监测，确认弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术的应用有效抑制了围岩初期（0～35 d）的快速变形，随后变形速率显著降低，至45 d时围岩达到平衡状态，变形量远低于安全阈值200 mm，巷道结构的稳定性和安全性得到显著提升。

关键词：
主体能源
巷道掘进
巷道支护
弱胶结软岩巷道
施工技术
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煤炭作为中国的主体能源,其开采技术的创新与优化一直是矿业领域的研究热点｡随着煤炭开采深度的不断增大,软岩巷道支护与掘进施工已成为制约煤矿安全､高效生产的技术难题｡弱胶结软岩因其特殊的物理力学性质,给巷道支护与掘进施工带来了极大的挑战｡因此,深入研究煤矿弱胶结软岩巷道的支护与掘进施工技术,对保障矿井安全生产､提高开采效率具有重要意义｡

弱胶结软岩巷道因围岩强度低､胶结性差,容易产生变形与破坏,对巷道稳定性构成严重威胁｡传统支护方法往往难以适应软岩巷道的变形特点,支护效果不佳,巷道维护成本高昂[1],因此亟须开发新型､高效的弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术｡

本文结合工程实例,对新型支护与掘进施工技术进行验证和优化,为煤矿弱胶结软岩巷道的支护与掘进施工提供实用的技术指导和参考｡希望本研究可以推动煤炭开采技术的进步,为保障矿井安全生产与提高开采效率作出积极贡献｡

1、工程概况

研究项目位于新疆A矿区,拟建设1条服务于4采区煤炭高效运输的7200运输大巷｡该巷道设计掘进总长度为1280m,净宽度为5.2m,净高度为4.3m,预计服务年限为30年,满足矿区长期开采规划需求｡顶板与巷帮均采用螺纹钢锚杆系统,锚杆规格为Φ22mm×2600mm,顶锚杆间排距设定为750mm×1000mm,帮锚杆间排距设定为850mm×1000mm｡此外,顶板配置了规格为Φ22.4mm×8000mm的锚索,采用4-3布置形式,间排距设定为1000mm×1600mm｡

经勘探与实验室X射线衍射分析,确定矿区6号煤层的顶底板主要由泥岩构成,富含蒙脱石､石英及高岭石等多种矿物成分｡其中,蒙脱石与高岭石等黏土矿物总质量分数高达56.87%,导致岩层胶结强度较低,呈现显著的弱胶结特性｡进一步的微观形貌观察揭示,6号煤层顶底板泥岩中存在大量裂缝,大部分裂缝位于胶结强度较低的部位,导致泥岩黏结弱化,宏观表现为岩石易破裂和稳定性下降｡鉴于上述地质条件,重点研究适用于弱胶结软岩巷道的支护与掘进施工技术,旨在通过科学合理的支护设计与先进的掘进工艺,有效控制巷道变形,确保煤矿生产安全｡

2、弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术设计

2.1确定巷道支护方案参数

在煤矿巷道掘进前,首要任务是确定支护方案的各项参数,构建经济可靠的支护体系,为后续掘进作业提供坚实的安全保障｡

顶板支护是确保巷道稳定性的关键环节,其设计需充分考虑地质条件､顶板岩层的物理力学性质及巷道的长期服务需求｡据此,采用复合支护技术,即钢拱或钢骨支护与锚网喷浆支护相结合的方式,以提供全面而有效的支撑与保护｡具体实施中,在钢拱或钢骨支护的基础上,采用锚网喷浆支护措施加强支护效果[2]｡结合工程实际情况,锚网选用直径6.5mm的优质圆钢加工而成,网孔尺寸精确控制为100mm×100mm｡弱胶结软岩巷道锚杆长度计算公式为:

式中:L为锚杆长度;N为围岩稳定影响系数;y为巷道跨度｡

通过精确计算,确保锚杆能够穿透松动圈,深入稳定岩层,从而有效锚固顶板,防止顶板垮落｡

此外,锚杆布置参数也是支护设计中不可忽视的一环｡设计方案中,顶锚杆间排距设定为750mm×1000mm,帮锚杆间排距设定为850mm×1000mm,这种紧密的布置方式能够确保锚杆形成密集的顶板支护网络,提高支护系统的整体性和稳定性[3]｡锚索按巷道中心线对称布置,排距为1600mm,间距为1000mm,确保对顶板的有效覆盖｡喷浆支护作为支护系统的最后一道防线,其厚度和强度等级也需严格控制｡设定喷浆厚度为150mm,强度等级为C20,这样的喷浆层不仅能封闭顶板表面,防止顶板风化剥落,还能通过其良好的黏结性和抗渗性将锚杆､锚索等支护构件与顶板岩层紧密结合,形成一个完整､坚固的支护整体｡该设计可保障巷道在复杂地质条件下的长期稳定与安全｡

2.2锚杆支护

锚杆支护的有效性在很大程度上取决于支护方案参数的设计｡锚杆支护是将锚杆锚入稳定岩层,通过锚杆与围岩的相互作用形成一个稳定的承载结构,有效控制巷道变形与破坏｡需严格按照既定的支护方案参数进行施工,确保锚杆安装质量满足设计要求｡

具体施工中,在巷道内壁标定锚杆孔位,位置偏差不得大于100mm,做好孔位标记;接着使用煤电钻､风钻或锚杆钻机等设备进行钻孔,实际钻孔角度与设计角度的偏差应不大于5°[4];钻孔完成后,用麻花钎杆将孔内的煤岩粉､岩屑等杂物清理干净;将锚杆及树脂锚固剂送入孔内,确保将锚固剂推到孔底｡锚杆支护示意图如图1所示｡

图1锚杆支护示意图

采用锚杆钻机搅拌锚固剂,搅拌时间设定为20s±5s｡搅拌完成后停止锚杆旋转,等待锚固剂凝固｡将托盘､螺母固定在一起,使用扳手将螺母拧紧,使其达到预定的预紧力｡

锚杆支护技术的广泛应用,得益于其系统组成部件的多样性和功能的全面性｡锚杆作为支护系统的主体,与锚具､钢带､托盘及承压板等核心组件共同构筑了一个高效可靠的支护体系｡

2.3综合机械化掘进

随着煤炭开采技术的不断进步,综合机械化掘进技术已成为提高掘进效率和保障施工安全的重要手段｡在确定科学合理的巷道支护方案后,采用综合机械化掘进设备实现掘进､支护､运输等工序的平行作业和连续推进,从而大幅度提高掘进速度｡

矸石､煤柱和实体煤共同承担软岩巷道围岩应力｡首先计算原支护下巷道围岩破裂点的最大位移,计算公式为:

式中:Zmax为巷道围岩破裂点的最大位移;Z为工作面位置;α为摩擦角;t为常数;β为残余摩擦角;m为围岩弹性模量;p为顶板抗拉强度｡

科学运用先进的掘进机械设备,有效发挥设备技术优势,可显著提升整体施工品质｡选择了EBZ260综合机械化掘进机作为核心施工设备｡该设备以其强大的截割能力､灵活的装载与运输系统､卓越的爬坡性能和高定位精度,成为解决复杂地质条件下巷道掘进难题的理想选择｡EBZ260综合机械化掘进机的关键参数配置如表1所示[5]｡

表1EBZ260综合机械化掘进机关键参数配置

在实际施工过程中,利用EBZ260综合机械化掘进机的先进功能,通过精确操控截割头手柄,实现煤(岩)的精准截割｡同时,根据巷道断面实际情况灵活调整截割策略,确保截割断面既符合设计要求,又能最大限度减轻对围岩的扰动[6]｡在装载与运输环节,掘进机下部的耙爪或星轮将截割下的煤(岩)高效耙入刮板输送机,并通过带式转载机实现远距离､连续性的物料运输,从而显著提升施工效率与安全性｡

3、工程实例

3.1工程准备

针对煤矿弱胶结软岩巷道实施定制化支护策略,并对巷道围岩位移进行监测,监测点布置如图2所示｡

图2围岩监测点布置图

选择适合弱胶结软岩巷道掘进的机械设备,确保设备性能稳定,满足掘进效率和质量要求｡设备选型如表2所示｡

表2设备选型

完善的管理制度是施工质量和安全的重要保障｡建立严格的交接班制度,明确交接内容､程序及责任,确保施工信息的连续性和准确性｡通过交接班会议及时传达施工进度､存在问题及改进措施,为后续工作提供有力支持｡

质量验收制度是保障施工质量的关键,应制定详细的验收标准和流程,对每道工序进行严格把关,确保施工质量符合设计要求｡同时,建立质量追溯机制,对出现问题的环节进行责任认定,促进施工质量的持续提升｡

综上所述,通过科学合理的现场布置和完善的管理制度保障施工安全,为工程项目的顺利完成奠定坚实基础｡

3.2工程结果分析

巷道围岩位移监测情况如图3所示｡

根据实时围岩监测数据,巷道构建完成的初期(0~35d),围岩经历了快速变形;随后进入相对稳定的缓慢变形期(35~45d),围岩变形明显放缓;巷道构建完成约45d时,围岩基本达到平衡状态｡

图3巷道围岩位移监测图

经过连续90d的细致观测,记录到巷道顶板最大垂直位移约为135mm,两帮水平位移控制在150mm以内,而最大底鼓量则保持在85mm的较低水平｡这些变形量均远低于预设的安全阈值,这充分证明针对弱胶结软岩巷道大变形控制的支护优化方案取得了预期效果,有效控制了围岩变形,显著提升了巷道的长期稳定性和安全性｡

4、结束语

对煤矿弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术的深入研究取得了显著成效｡支护技术的应用有效提高了巷道围岩的稳定性和承载能力,减少了巷道变形和破坏现象的发生;掘进施工技术的应用实现了高效安全的巷道掘进,提高了开采效率并降低了生产成本｡然而尽管取得了显著的效果,但由于弱胶结软岩的物理力学性质复杂多变,现有的支护与掘进技术仍面临一定的挑战,需要不断进行优化和改进｡展望未来,应继续深化对煤矿弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术的研究,推进新型支护材料和技术的研发,以满足不同的地质条件和开采需求｡总之,煤矿弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术研究是一个复杂而重要的课题,需要不断努力,积极探索与创新,为保障矿井安全生产与提高开采效率作出更大贡献｡

参考文献:

[1]刘统申,崔永江,张联升.弱胶结软岩巷道围岩劣化机理及巷道支护设计优化[J].山东煤炭科技,2023,41(10):54-58.

[2]李景涛,张涛,安彦成,等.弱胶结软岩巷道掘进支护模式及工艺优化[J].能源技术与管理,2023,48(4):78-81.

[3]赵源.软岩巷道掘进施工及顶板支护技术研究[J].山西化工,2023,43(4):156-158.

[4]王庆铎,王博,计鹏举,等.弱胶结软岩巷道快速掘进及支护工艺优化[J].当代化工研究,2023(8):149-151.

[5]白立军.富水弱胶结软岩巷道掘进顶板支护技术[J].价值工程,2022,41(33):67-69.

[6]杨泽宇.煤矿巷道掘进施工与支护技术探讨[J].矿业装备,2022(3):23-25.

文章来源:王志民.煤矿弱胶结软岩巷道支护与掘进施工技术研究[J].能源与节能,2025,(05):240-243.