煤矿掘进巷道支护设计优化研究

煤矿掘进巷道支护设计优化研究

张晶

陕西建新煤化有限责任公司  陕西省延安市727300

摘要：本文聚焦于煤矿掘进巷道支护设计优化问题展开深入研究。通过对煤矿掘进巷道支护的现状及存在问题进行分析，阐述了影响支护设计的关键因素，包括地质条件、巷道用途与服务年限等。基于理论分析与实际案例，探讨了优化支护设计的方法，如合理选择支护方式、确定支护参数等。研究结果表明，科学优化支护设计能够有效提高巷道稳定性，保障煤矿安全生产，降低支护成本，为煤矿企业的可持续发展提供有力支持。

关键词：煤矿掘进；巷道支护；设计优化；稳定性

引言

煤炭作为我国重要的能源资源，在国民经济发展中占据着举足轻重的地位。随着煤矿开采深度和规模的不断扩大，掘进巷道的数量与难度也日益增加。巷道支护作为保障煤矿安全生产的关键环节，其设计的合理性直接影响着巷道的稳定性、维护成本以及煤炭开采效率。传统的支护设计方法在面对复杂多变的地质条件时，往往暴露出诸多不足，如支护强度不合理、支护形式不匹配等，导致巷道出现变形、坍塌等安全隐患。因此，开展煤矿掘进巷道支护设计优化研究具有重要的现实意义，有助于提高巷道支护效果，确保煤矿安全生产，提升煤矿企业的经济效益。

一、煤矿掘进巷道支护现状及存在问题

1.1 支护现状

目前，煤矿掘进巷道支护主要采用锚杆支护、锚索支护、架棚支护以及联合支护等方式。锚杆支护以其成本低、施工方便等优点，在大多数条件适宜的巷道中得到广泛应用；锚索支护则常用于对支护强度要求较高的巷道；架棚支护在一些地质条件复杂、围岩破碎的巷道中仍有应用；联合支护则是根据具体情况，将多种支护方式结合使用，以达到更好的支护效果。

1.2 存在问题

支护参数不合理：部分煤矿在支护设计时，未充分考虑巷道的实际地质条件和应力分布，凭经验确定支护参数，导致支护强度不足或支护过度。例如，锚杆长度、间距设置不当，无法有效控制围岩变形，或者造成材料浪费。支护方式选择不当：不同的巷道地质条件和用途需要匹配相应的支护方式。然而，一些煤矿在支护方式选择上缺乏科学依据，对于松软破碎围岩巷道仍采用单一的锚杆支护，难以满足支护要求，导致巷道变形严重。施工质量控制不足：在支护施工过程中，存在锚杆安装角度不规范、锚索预紧力不足、架棚支护背帮背顶不实等问题，影响了支护效果的发挥，降低了巷道的稳定性。监测与反馈机制不完善：对巷道支护效果的监测重视不够，监测手段落后，数据采集不及时、不准确，无法根据监测结果及时调整支护方案，不能做到动态化支护设计。

二、影响煤矿掘进巷道支护设计的因素

2.1 地质条件

围岩性质：围岩的岩性、强度、完整性等对支护设计影响显著。例如，坚硬完整的围岩对支护的要求相对较低，而松软破碎的围岩则需要更强的支护措施。地质构造：断层、褶曲等地质构造区域，岩体完整性遭到破坏，应力集中，巷道支护难度增大。在这些区域进行支护设计时，需充分考虑构造对围岩稳定性的影响。地应力：地应力的大小和方向决定了巷道围岩的受力状态。高地应力巷道容易出现围岩变形、破裂等问题，需要选择更高强度的支护方式和合理的支护参数。

2.2 巷道用途与服务年限

巷道用途：不同用途的巷道对支护要求不同。例如，运输巷道需要保证一定的断面尺寸和稳定性，以确保运输设备的正常运行；而通风巷道则需满足通风要求，对支护的密封性等方面有一定要求。服务年限：服务年限长的巷道，对支护的耐久性要求更高，需要选择更可靠的支护材料和支护方式，以减少后期维护成本。

2.3 掘进方式

不同的掘进方式对围岩的扰动程度不同。爆破掘进会对围岩造成较大的震动和破坏，增加围岩的破碎程度，从而影响支护效果。而机械化掘进对围岩的扰动相对较小，有利于支护设计的优化。

三、煤矿掘进巷道支护设计优化方法

3.1 合理选择支护方式

根据围岩条件选择：对于围岩较为稳定、完整性好的巷道，可优先采用锚杆支护；若围岩较破碎、强度较低，可考虑锚杆与锚索联合支护，或采用架棚支护与锚杆锚索联合支护的方式。例如，在某煤矿松软破碎围岩巷道中，采用了 U 型钢架棚 + 锚杆 + 锚索的联合支护方式，有效控制了巷道变形。考虑巷道用途与服务年限：对于服务年限长、对稳定性要求高的主要巷道，应采用强度高、耐久性好的支护方式，如锚索支护为主，配合锚杆加强支护；对于临时巷道或服务年限短的巷道，可采用相对简单、成本低的支护方式，如锚杆支护或简易架棚支护。

3.2 优化支护参数

锚杆支护参数优化：通过理论计算、数值模拟结合现场监测等方法，确定合理的锚杆长度、间距、直径和锚固力。例如，运用 FLAC3D 数值模拟软件，模拟不同锚杆参数下巷道围岩的应力应变情况，从而得出最优的锚杆参数组合。在实际应用中，某煤矿根据数值模拟结果，将锚杆长度由原来的 2.0m 调整为 2.2m，间距由 1.0m 缩小至 0.8m，有效提高了巷道的稳定性。

锚索支护参数优化：合理确定锚索的长度、间距、预紧力等参数。锚索长度应根据巷道围岩的松动圈范围和深部稳定岩体的位置来确定；预紧力要保证能够有效控制围岩变形，同时避免因预紧力过大导致锚索破断。

架棚支护参数优化：对于架棚支护，要合理选择棚型、棚距以及棚腿的角度等参数。在松软破碎围岩巷道中，可采用可缩性 U 型钢支架，并根据巷道变形情况调整棚距，以适应围岩变形。

3.3 提高支护施工质量

加强施工人员培训：提高施工人员对支护施工规范的认识和操作技能，确保锚杆、锚索等支护构件的安装符合设计要求。例如，定期组织施工人员进行支护施工技术培训，通过理论讲解和现场实操相结合的方式，提高施工人员的业务水平。

严格施工过程管理：建立健全施工质量管理制度，加强对支护施工过程的监督检查。在锚杆施工过程中，严格控制锚杆的安装角度、锚固长度和预紧力；在锚索施工中，确保锚索的张拉工艺符合要求，预紧力达到设计值。

3.4 完善监测与反馈机制

建立全面的监测系统：采用多种监测手段，如锚杆锚索测力计、围岩表面位移监测仪、深部围岩位移监测仪等，对巷道支护效果进行实时监测。通过监测数据，及时掌握巷道围岩的变形情况和支护结构的受力状态。

及时反馈与调整：根据监测数据，运用数据分析和处理技术，对支护效果进行评估。若发现支护效果不理想或巷道围岩出现异常变形，及时反馈给设计和施工部门，调整支护方案和参数，实现动态化支护设计。例如，某煤矿在巷道掘进过程中，通过监测发现巷道顶板变形速率增大，及时增加了锚索数量，并调整了锚杆的间距，有效控制了巷道变形。

结语

煤矿掘进巷道支护设计优化是保障煤矿安全生产、提高煤炭开采效率的关键环节。通过对支护现状及存在问题的分析，明确了影响支护设计的地质条件、巷道用途与服务年限、掘进方式等因素。在此基础上，从合理选择支护方式、优化支护参数、提高施工质量以及完善监测与反馈机制等方面提出了具体的优化方法。在实际应用中，应综合考虑各种因素，运用科学的方法和先进的技术手段，不断优化巷道支护设计，提高巷道支护的可靠性和经济性，为煤矿企业的可持续发展提供坚实保障。未来，随着煤矿开采技术的不断进步和对巷道稳定性要求的提高，煤矿掘进巷道支护设计优化研究仍需不断深入，以适应复杂多变的开采条件。

参考文献

[1]王永刚，李晓东，赵宇，等. 煤矿深部巷道围岩力学行为及支护设计优化[J]. 岩石力学与工程学报，2019，38（6）：1245-1252.

[2]刘志刚，张宏伟，刘洋，等. 煤矿巷道支护结构优化设计研究[J]. 煤炭科学技术，2017，46（10）：123-129.

[3]邓小宁，李瑞，陈刚，等. 基于数值模拟的煤矿巷道支护设计优化策略[J]. 矿业安全与环保，2018，45（3）：1-5.