煤矿掘进工作面超前支护技术探讨

煤矿掘进工作面超前支护技术探讨

王之文

镇雄县能源局  镇雄县657200

摘  要：本文从煤矿掘进超前支护的规定、工作面顶板事故的主要特点、巷道围岩松动圈的形成机理、超前支护的特点等，探讨煤矿掘进工作面顶板支护技术。

关键词：煤矿掘进工作面；超前支护；技术管理

引  言：煤矿掘进工作面的顶板支护中，运用超前支护（临时和前探支护），以对顶板形成初撑力。该环节是非常重要的，对巷道的永久支护和服务年限有着重要影响。根据物体受力平衡原理可知，物体在任何时刻都处于平衡状态（有动态平衡和静态平衡），而理想状态下的受力是六面的相对平衡，岩石的受力结构在受到外力破坏时应力将重新分布。因此，研究掘进工作面岩石应力受破坏后，立即给一个初撑力使之保持平衡是很有必要的。

1.煤矿掘进超前支护相关规定

掘进超前支护是指在掘进工作面向前推进的过程中，预先对周围岩体进行支撑和加固，防止岩石垮落、滑坡等事故的发生。掘进超前支护对于确保矿井安全和提高煤矿生产效率具有非常重要的作用。关于掘进超前支护方面的规定，我国制定了一系列的法规和标准，主要包括以下内容：

（1）《煤矿安全规程》是我国煤矿生产领域的一项重要法规，其中对于掘进超前支护方面有如下规定：煤矿生产企业应当根据岩体特点、掘进方式、支护方式等因素，制定符合要求的掘进工艺、支护方案，确保岩石体稳定，防止事故的发生。

（2）GB/T 20944.1-2007《煤矿设计规范》是我国煤矿设计方面的重要规范，对于掘进超前支护方面也做出了详细的规定。规范明确了掘进工作面和巷道应当按要求采用合适的支护方式，同时强调对于岩体不稳定和地质构造复杂的地区，在掘进进度较快的情况下，应当采用掘进超前支护措施，确保掘进工作面的安全和整体稳定。

  2.煤矿掘进顶板事故的主要特点

  煤矿掘进冒顶事故占比较高。其主要特点为：①具有突发性以及不可预测性的特点，煤矿掘进顶板事故往往突然发生，给采煤工人造成极大的威胁。而且煤矿掘进顶板事故往往难以预测，即使在采取了各种安全措施之后，仍有可能发生。这就导致煤矿掘进顶板事故往往造成重大的人员伤亡和财产损失。②事故的发生大多是岩石或者煤块脱落导致，呈现出区域性的特点，只有极个别的事故会大范围冒顶。造成大范围冒顶事故的原因主要是巷道上方存在采空区、老巷以及大煤柱，而且地质状况也可能导致大范围冒顶，需要加强对其的重视。③该事故还经常发生在敲帮问顶作业环节，实际施工环节，新悬露的顶板一般存在活石或者是伞檐，在经过多次处理之后没有落下，一段时间后突然掉落就导致事故的发生。根据研究，空顶作业环节的冒顶事故已经占据了掘进冒顶事故的85％左右。

  3.掘进巷道围岩松动圈的形成机理

    掘进巷道围岩松动圈的形成机理可以涉及多个因素，主要包括地质构造、地应力状态、岩体物理力学性质等。首先，地质构造对围岩稳定性有重要影响，例如断裂带的存在可能导致围岩松动圈的形成。断裂带附近的围岩受到构造应力和褶皱变形的影响，容易发生松动。其次，地下巷道开挖过程中，原本受到地层应力约束的岩体会受到破坏，使得周围岩体的受力状态发生变化，从而引发松动圈的形成。然后，岩体的岩性、裂隙度、岩石力学参数等物理力学性质对围岩稳定性有着重要的影响。例如，裂隙多、岩体强度低的区域更容易形成松动圈。所以说，掘进巷道围岩松动圈的形成机理是一个复杂的多因素作用过程，需要综合考虑地质、地应力状态、岩体物理力学等多方面因素，并且在实际工程中进行合理的预测并采取科学的防治措施。

  4.掘进端头临时支护的发展

    掘进端头临时支护是煤矿或隧道等地下工程中非常重要的一环，其发展经历了多个阶段：最初阶段使用木质支柱作为临时支护材料，这种方法简单粗暴，但是效果有限，容易导致安全事故。随着技术的发展，传统木质支护逐渐演变为钢木结合支护，即在木质支柱的基础上加入钢材进行加固，提高了支护的强度和稳定性。随着工程技术的提高，钢筋混凝土构件成为主要的临时支护材料，其具有较强的抗压和抗拉能力，大大提高了支护效果和安全性。总的来说，掘进端头临时支护在不断发展中，从传统的木质支护逐步向更加安全、高效的新型材料和综合支护体系发展。

  5.超前支护的特点

  超前支护是在掘进作业中采用的一种支护方式，其特点主要包括以下几点：①超前支护是指在开挖掘进工作面之前，提前对围岩进行支护加固，以预防地质灾害和岩体塌方等事故的发生。通过提前支护，可以有效减少事故风险，保障施工人员和设备的安全。②超前支护可以使掘进工作面的围岩更加稳定，减少了后续掘进时因地质条件恶劣而导致的停工和延误，从而提高了工作效率，缩短工期。③通过提前进行支护加固，可以减少后期因围岩松动或塌方而造成的紧急处理和维修工作，降低了维护成本，提高了工程经济效益。总的来说，超前支护在地下工程施工中具有重要意义。

  6.临时支护应适宜选择

  临时支护是地下工程中必不可少的一环，它可以确保施工安全和提高工效。常见的临时支护方法有以下几种：

钢架支护：使用钢管或钢梁构成的支架支撑掘进面前方的岩石或土层。钢架支护具有承载能力强、易于安装和拆卸等优点，适用于大型隧道和矿井掘进等工程。

  锚杆支护：通过在坑壁或隧道侧壁固定锚杆，使锚杆与岩石形成一个整体，增强了围岩的稳定性。锚杆支护具有经济成本低、支护效果好等特点，适用于较为稳定的岩层。

  喷射混凝土支护：在掘进过程中，将混凝土在坑壁上喷涂成膜的方式进行固化加固，以达到强化围岩支撑作用的目的。喷射混凝土支护具有施工速度快、支护效果好、可适应不同地质条件等优点，适用于围岩较为坚硬的地质条件。

  桩、墙支护：在掘进过程中，按一定间距和深度钻入或直接挖出桩、墙，使其与围岩形成一个整体，增强掘进面前方的支撑力。桩、墙支护具有对大面积掘进工作面支撑能力强、可适应不同地质条件等优点，适用于大型隧道和矿井掘进等工程。

  排桩支护：排列成网格状的桩体垂直埋放于地下，通过桩体相互连接，形成一个整体结构支撑掘进面前方的压力。排桩支护具有施工简单、支撑效果好等特点，适用于围岩较为松软的地质条件。

  综上所述，临时支护方法的选择需要考虑地质条件、经济成本、施工周期、安全性能和环境影响等因素，可以根据实际情况进行选择和组合应用。

  7.支护形式的改进

  为提高支护质量和安全性，可在原有的基础上进行改进。①开发和采用新型高强度、耐腐蚀、轻质化的材料，如复合材料、高强度钢材等，以替代传统的支护材料，能够提高支护结构的承载能力，延长使用寿命，减轻施工负担。②引入自动化设备和机械化作业技术，实现临时支护施工的自动化和机械化，可以提高施工效率，降低人力成本，并且减少施工过程中的安全隐患。③采用传感器、监测仪器等智能化设备，对临时支护结构和围岩状态进行实时监测，及时发现问题并采取相应措施，提高了对施工环境的监控，有助于确保施工安全。通过上述手段，以期在提高施工效率、降低成本和增强安全性的同时，实现更加可持续的地下工程施工。

  8.超前支护的技术管理

  （1）掘进超前支护的技术要求：①支撑材料要求：掘进超前支护所使用的支撑材料应当符合国家相关标准，具有较强的抗压、抗弯和抗拉等散体力学性能，同时能够适应掘进工艺、岩体性质等多种因素的要求。②支撑结构要求：掘进超前支护的支撑结构也需要根据具体情况进行设计，结构稳定性要求高、耐磨性和抗腐蚀性较强，并且能够适应多种工况的要求。③支撑通风要求：掘进超前支护还需要考虑通风问题，尤其是对于煤尘和有害气体的排放要求比较严格，需要严格按照国家有关标准和规定进行操作。

（2）超前支护技术管理：超前支护的技术管理主要包括以下几个方面：①在地下工程施工前，要进行详细的地质勘察和分析，对地质情况进行科学预测和评估，为超前支护的设计和实施提供可靠的地质基础数据。②应根据地质勘察结果和工程要求，制定超前支护的具体方案，包括支护结构形式、材料选择、施工工艺等内容。③要组织施工人员和设备，按照支护方案要求，对掘进面前方进行超前支护的实施，确保支护工作按照设计要求有序进行。④还需要设计应急处理方案，一旦发现地下工程施工过程中出现了意外情况，需要立即采取应急处置措施，并根据实际情况对支护方案进行调整和优化。⑤要对超前支护的施工质量进行全面检查和验收，确保支护结构的安全可靠性符合设计要求。通过以上的技术管理措施，可以有效地规范和管理超前支护工程，确保其安全、高效地完成，为地下工程的顺利实施提供技术保障。

  结语:煤矿掘进工作面实行超前支护，是确保新挖掘巷道安全不变形的关键。对此，应根据现场实际情况，可在原有支护形式的基础上不断加以改进，以减缓巷道开掘过程中松动圈扩展，减小巷道压力，保障安全，提高经济效益。

参考文献:

[1]2022《煤矿安全规程》.井巷掘进与支护3：21-37.

[2]GB/T 20944.1-2007《煤矿设计规范》.