对煤矿井巷支护方式的探讨

     以松木为主要材料的木支护方式至今在南方煤矿区仍占70%以上，绝大多数煤矿在回采工作面及煤巷掘进中基本使用木支架。因此，如何解决巷道开拓在煤层中，既要安全进尺到指定位置，以提高煤炭资源回收率，又要千方百计降低百米巷道维修费用，这样，对支护方式的探讨就具有其重要意义了。

    本文对回采煤层顶区时，上风巷下底梁支护和在中厚煤层或“鸡窝”状煤层等构造带中的掘进支护方式作如下探讨：

    一、本文所述该矿煤系地层属上三迭统焦坑组，系山麓堆积相一冲积相与湖泊相，岩相变化复杂

    煤层位于焦坑组下段，该矿区共有17条较大的断层。掘进片盘回风巷时，由于上分层回采面及顺槽地段回柱质量差或上分层留存的孤立煤柱等都因对地应力规律未掌握,而造成风巷、顺槽、开切眼等巷道施工中，饱受压力破坏之苦；另一方面，回采面倾角变化大，其直接顶属二类顶板，易冒落底板其基底不平，底豉频繁；煤质上松下硬依次为粉煤、互层煤粉块煤、块煤，煤层节理发育，结构复杂。这一切都给掘、采时的支护方式和吨煤成本的控制带来很大困难。

    二、回风巷掘进中的下底梁支护工艺试验

    1、试验理由。以顶区采面上风巷为例。该矿上风巷沿煤层跟顶板掘进，采用直径20公分的1.6米长梁，2.2米棚腿的单体木支架支护。由于各种因素造成在地应力集中区内施工，即使沿空送巷，巷道也难以维护，常常打完50米煤巷则要全面落轨道整改一次以上，折断率达40-60%，局部地段竟高达到80%。随着回采面推进，距上出口50米内巷道急骤下沉，这给生产过程带来很大的不便和威胁，于是笔者提出在上风巷施工中采用下底梁支护实验。

    2、试验目标。(1)当月的煤巷折柱率应小于10%，做到少修护、少落道；(2)巷道断面维持时间要能在三个月左右，上出口净高不小于1.8米，净宽不小于1.6米；(3)巷道单体支架下沉量要小于30公分。

    3、理论依据。(1)矿压的传播机理：掘进中的煤巷受上部采动或爆破力影响，围岩的应力在施工区域内重新分布，巷道上方岩柱下沉，分力转移到巷道两邦及底板上，使支架棚腿受侧压力及底板鼓力所形成的集中地应力破坏。当集中应力超过围岩极限及支架强度后，巷道变形，支架下沉快。传统矿压理论认为，支架下沉及折断都由顶压造成。而新矿压理论则认为：支架支护的关键重点不是顶板，而是底板的鼓起力。这一理论，笔者在该矿实践观测中得到证实。

    支架受力分析：

    上复岩层的重量分解作用于支架两侧压力和地板鼓力，按计算公式：

    r0两邦煤或岩石容重h1巷道高度h0巷道上方自然拱高度

    φc岩石内摩擦角

    计算表明：其横轴方向上产生的抗压强度大约3倍于纵轴方向上的抗弯强度，产生的底板拱起力与支柱底部截面大小成反比。故下底梁的支架其底部受力面积为不下底梁的3～5倍,使巷道压力减小，整体支护均匀、稳定性好。该矿在新付井过流沙层施工中采用反拱法施工，取得了很好效果，但在上下风巷与顺槽搞反拱法则成本过高且因巷道断面狭小而不易执行，因此只有使用下底梁法。

    (2)实例：+190N5上风巷从1月11日开始下底梁试验，当采煤工作面由北往南推进70米时，煤巷掘进队将上风巷移交给采一区验收，验收小组一致称赞此上风巷为我矿历年来支护最好的巷道，其平均净高1.80米，宽1.7至1.8米左右。掘完109米时仅落道一次，平均降轨道20公分。当掘完140米后全面落道一次，平均落道30公分,用去45个工日。巷道平均下沉量为1厘米/日，全巷安全状况良好。实验证明：由重点对顶板的支护改为对底板的支护则可以有效减轻减缓支架受压状况，达到安全、方便之目的。

    三、中厚煤层或构造带中掘进支护方式试验

    1、中厚煤层跟底板掘进的支护方式。该矿和南方许多煤矿一样，中厚煤层或边角“鸡窝状”煤柱，一般采用高落式回采法时，其巷道压力大，相对移近量快，折柱率高过70%，采面回收率仅达35%～40%，还因此发生伤亡事故多起。笔者根据现状改为：主毛洞打1.6×2.2料，每隔煤柱5-6米开支毛洞(1.4×2.0m米)为主要的残采方式。由于跟底板掘进的主毛洞其煤质上软下硬，因此在掘进中放炮后上部易冒顶，其矿压显现的规律为：支架首先受力于变形地压，且侧压大于顶压。支架支承后期，呈松脱地压规律即顶压大于侧压。因此我要求支护方式上应根据阶段性特征，采用有效措施，效果如下：

    ①1983年10月采煤二区在一号井3S0过断层，笔者采用强力支护，并将三台链板机道穿入减压区内送巷。该百米巷道使用达两个半月之久，共采出原煤17400吨，安全生产状况良好，强力支护法首获成功。

    ②1984年11月采三区在S5顺槽残采煤柱，先跟顶板打顺槽，两台链板机道采用1.6×2.2m料支护，由于无强力支护措施，开掘后二十天内支架折损率竟达80%。笔者下令整改并在第三台链板机道采用双抬栅支护法后，侧压、顶压均较稳定，一个月内折柱率仅10%。

    二十年来的井下现场管理工作，笔者认识到：一是采准巷道的顶区上风巷与顺槽支护出口均宜采用1.8米梁，2.2米腿的大断面掘进，采用下底梁支护或下底梁加单抬棚支护或下底梁双抬棚支护等强力支护方式。均可使上下风巷安全使用长度由90米加大到150米，维持时间从1个月延长到3个月以上。二是跟顶掘进时，对巷道支架的支护重点应由对顶板改为对底板的支护。三是根据新矿压理论及其在该矿的分布规律，跟底板进尺中可以将过空顶区以搭木垛的主要方式改为棚上架栅过顶方式，可节约大量坑木。四是因为巷道交叉点是应力集中区，故无论是顶区或底区的巷道开口或贯通点均宜以双抬棚或双对棚的强力支护。

    2、水采底区的地质构造与支护方式。该矿水力复采区由于旱采顶区已开采数年，顶板冒落，裂隙带得以充实，地表水下渗，使再生顶板胶结好。但从开掘采准巷道到开枪回采，巷道维护时间须达3个月之久。由于巷道独头掘进，回风困难，故温度高、湿度大，木支柱容易腐烂。

    笔者认为，水力采煤巷道支架受压变形，主要是松脱地压，故宜以防漏顶并加强支架间的稳定性。可打中抬棚加厚背板支护，棚距应由70厘米改为50厘米为宜。若当巷道在煤柱中掘进时，支架主要承受变形地压影响，其侧压大，底压较明显而顶压较小，所以可用双抬棚支护法等维持巷道净高与净宽。

    随着松木资源短缺，坑木的一再提价以及木支护方式一般不能满足地压严重的巷道之有效支护,如漳平煤矿等。笔者对石门与联络眼巷道采用了金属可缩性U型支架，对岩石运输大巷巷道支护则采用光面爆破技术和锚杆支护工艺或超前锚杆控顶技术等，都在该矿广泛应用，收效甚好。