摘要：煤炭作為重要的能源資源，其開采業(yè)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和安全問題日益增多。尤其在深部礦山開采中，科學(xué)的巷道設(shè)計(jì)、先進(jìn)的掘進(jìn)技術(shù)及有效的支護(hù)措施能夠保障礦井的長期穩(wěn)定性。探討了煤炭采礦工程巷道掘進(jìn)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)流程控制、瓦斯排放管理及通風(fēng)防塵措施，深入分析了混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)、預(yù)留煤柱支護(hù)和剛性支架支護(hù)技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤炭采礦工程巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)施工方法

ApplicationofTunnelExcavationandSupportTechnologyinCoalMiningEngineering

KONGLei1SONGShitao2

1.HuanchengCoalMine，WeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，ShandongProvince，Jining，ShandongProvince，277600China;2.YongshengCoalMine，ShandongWeishanhuMining（Group）Co.，Ltd.，Jining，ShandongProvince，277600China

Abstract：Coal，asanimportantenergyresource，itsminingindustryisfacingmoreandmoretechnicalchallengesandsafetyproblems.Especiallyindeepmining，scientifictunneldesign，advancedtunnelingtechnologyandeffectivesupportmeasurescanensurethelong-termstabilityofthemine.Thestructuraldesign，tunnelingprocesscontrol，gasemissionmanagementandventilationanddustpreventionmeasuresincoalminingengineeringtunnelexcavationarediscussed.Theconcretesupport，boltsupport，reservedcoalpillarsupportandrigidsupporttechnologyaredeeplyanalyzed.

KeyWords：Coalminingengineering;Tunnelexcavation;Supporttechnology;Constructionmethod

在全球能源結(jié)構(gòu)中，煤炭是發(fā)展中國家主要的能源供應(yīng)來源。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增長，煤炭的開采量也隨之增加。隨著地下礦井深度的增加，地壓活動(dòng)加劇，礦山巷道的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。通過采用先進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)械和支護(hù)系統(tǒng)，施工團(tuán)隊(duì)可以在不同地質(zhì)條件下提高作業(yè)效率，從而保證礦山長期穩(wěn)定運(yùn)行，維持礦工的工作環(huán)境安全。因此，巷道掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)在煤炭采礦工程中發(fā)揮決定性作用是煤炭工業(yè)持續(xù)發(fā)展的可靠保障。

1煤炭采礦工程巷道掘進(jìn)技術(shù)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巷道的設(shè)計(jì)需基于其功能、地理位置、形狀和尺寸，并考慮圍巖的類型、特性和狀態(tài)。通過精確的計(jì)算和科學(xué)的分析，工程師確定掘進(jìn)和支護(hù)方式，設(shè)計(jì)最佳的斷面形狀、尺寸和坡度，以及適宜的曲率和間距參數(shù)。具體來說，巷道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需要詳盡的地質(zhì)勘查，以獲取礦體的精確信息，包括位置、大小、形狀和取向。利用地球物理和地球化學(xué)探測技術(shù)，深入了解礦體及其周邊巖層的詳細(xì)數(shù)據(jù)，再依據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合水文條件、巖石硬度和應(yīng)力狀態(tài)，選擇合適的掘進(jìn)策略。例如：對(duì)于傾斜或立體的礦體，采用垂直井或斜井的掘進(jìn)方案；對(duì)于較為扁平的礦體結(jié)構(gòu)，則優(yōu)先選擇水平巷道掘進(jìn)方法，以提高效率。巷道的斷面設(shè)計(jì)采用圓形、馬蹄形或矩形，具體選擇基于圍巖的穩(wěn)定性和巷道的用途來確定[1]。例如：馬蹄形斷面多用于主運(yùn)輸巷道，因其頂部較寬可以容納設(shè)備和運(yùn)輸車輛；矩形或圓形斷面則常用于輔助通風(fēng)或逃生通道。巷道寬度一般設(shè)置在4～6m之間，高度約為3～5m，旨在有效地承受上覆巖層壓力，為設(shè)備和人員提供必要的操作空間。為了保證載重車輛的安全行駛，巷道坡度設(shè)計(jì)不超過8%，減少運(yùn)輸過程中的滑車現(xiàn)象。

同時(shí)，巷道的曲率半徑應(yīng)至少為15m，以適應(yīng)大型機(jī)械的轉(zhuǎn)向需求，并防止在曲線部分的車輛翻倒。根據(jù)巖石硬度和其他掘進(jìn)要求，合理選用巷道掘進(jìn)機(jī)、鉆爆設(shè)備等，同時(shí)設(shè)置臨時(shí)支護(hù)措施預(yù)防巷道塌陷，確保施工過程的安全性。此外，還需對(duì)瓦斯聚集、涌水、巖爆等潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，確保巷道掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行。在巷道布置方面，對(duì)于采場巷道的布置，需沿礦體走向或傾向進(jìn)行，盡量減少與采場幫壁的接觸，以減少圍巖松動(dòng)。對(duì)于巷道的斜度、長度和寬度，也需根據(jù)采場條件、頂板情況和巖石物理力學(xué)性質(zhì)綜合考慮。例如，在底板較穩(wěn)定的中段，巷道應(yīng)布置在巖層中；若底板不穩(wěn)定，則應(yīng)考慮布置在距底板較遠(yuǎn)的一側(cè)[2]。對(duì)于薄、中厚或厚大礦體等不同類型的礦體，需要對(duì)巷道的位置和傾角進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以保證開采效率和巷道的長期穩(wěn)定性。

1.2控制掘進(jìn)流程

對(duì)于掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備的選擇，需根據(jù)巷道類型和地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于硬巖巷道，選擇功率范圍在200～500kW的懸掛式掘進(jìn)機(jī)，其鉆頭直徑可達(dá)150mm，適用于完成復(fù)雜的巖石掘進(jìn)任務(wù)；對(duì)于軟巖或煤層巷道，推薦使用功率在100kW以下的全自動(dòng)割煤機(jī)，這種機(jī)器的切割寬度可達(dá)3m，適合低硬度巖層的快速切割。不同的掘進(jìn)技術(shù)，如全煤巖掘進(jìn)或綜合掘進(jìn)技術(shù)，根據(jù)具體情況搭配使用，以適應(yīng)巷道的地質(zhì)特點(diǎn)。針對(duì)特定施工需求，部署單體鉆機(jī)、液壓鑿巖車和風(fēng)動(dòng)鑿巖車等，以適應(yīng)不同的掘進(jìn)和支護(hù)任務(wù)。采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)方法，結(jié)合全煤巖掘進(jìn)技術(shù)和半煤半巖石掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)施巷道掘進(jìn)。這些技術(shù)的應(yīng)用需配合高效的掘錨一體機(jī)，這類設(shè)備配置有自動(dòng)化錨桿安裝系統(tǒng)，錨桿長度從1.8～2.4m不等，直徑為22mm，以適應(yīng)不同的地質(zhì)強(qiáng)度和穩(wěn)定需求。地測部門采集關(guān)于巖性、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装宸€(wěn)定性及水文地質(zhì)的數(shù)據(jù)，據(jù)此制定出具體的貫通策略[3]。

在掘進(jìn)的關(guān)鍵階段，如貫通前60m至貫通點(diǎn)，需展開詳盡的瓦斯監(jiān)測和頂板支護(hù)。巷道掘進(jìn)時(shí)，每隔10m需重新評(píng)估地質(zhì)條件和掘進(jìn)設(shè)備配置，確保掘進(jìn)參數(shù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)的匹配。在貫通階段的風(fēng)險(xiǎn)管理中，特別關(guān)注通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整和瓦斯管理。調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的措施包括分析貫通前后的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化，以及詳細(xì)記錄調(diào)整通風(fēng)設(shè)施的位置、類型、結(jié)構(gòu)和建設(shè)時(shí)間。在貫通實(shí)施前，需進(jìn)行至少5個(gè)方向的鉆孔探測，并采用集體貫通制度，確保所有參與部門在貫通時(shí)的同步操作和安全。

1.3控制瓦斯排放

為確保瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.0%甲烷濃度的安全閾值以下，施工團(tuán)隊(duì)在掘進(jìn)前沿每20m設(shè)置甲烷傳感器等高靈敏度的瓦斯檢測儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣中的甲烷濃度，并在檢測到高瓦斯?jié)舛葧r(shí)觸發(fā)警報(bào)。利用安裝在煤層中的抽放鉆孔控制瓦斯，這些鉆孔直接接觸煤層，可以抽取存于其中的瓦斯，鉆孔直徑設(shè)置為100～150mm，根據(jù)地質(zhì)情況確定其深入煤層的長度，一般為20～100m。針對(duì)煤巷掘進(jìn)工作面，探測和鉆掘是關(guān)鍵步驟。在掘進(jìn)前，應(yīng)使用地質(zhì)探針或先進(jìn)的探礦設(shè)備來評(píng)估瓦斯分布情況。在爆破前，必須進(jìn)行詳細(xì)的瓦斯檢查，確保瓦斯?jié)舛仍诎踩秶鷥?nèi)。鉆孔瓦斯?jié)舛热舫^40%，必須先抽放瓦斯后才能進(jìn)行裝藥爆破。在實(shí)施爆破作業(yè)時(shí)，須在爆破前后30min內(nèi)進(jìn)行密集的瓦斯檢測，確保無瓦斯超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)再啟動(dòng)作業(yè)[4]。在掘進(jìn)作業(yè)中，為防止瓦斯超標(biāo)，使用長度可達(dá)200m的風(fēng)筒系統(tǒng)，確保風(fēng)筒末端與工作面的距離不超過10m，以保持足夠的通風(fēng)量和風(fēng)速，風(fēng)速維持在0.5～1.0m/s。在特定工作條件下，如掘進(jìn)面接近高瓦斯區(qū)域或地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，采取增加通風(fēng)量的措施，風(fēng)速可提高至1.5m/s，迎頭通風(fēng)不足時(shí)，應(yīng)及時(shí)延接風(fēng)筒。尤其是在貫通或揭露老巷（鉆孔）期間，必須先恢復(fù)老巷通風(fēng)或制定專項(xiàng)透老巷措施。此外，所有掘進(jìn)工作面的瓦斯抽采孔都應(yīng)執(zhí)行“成一孔抽一孔”的原則，防止多個(gè)鉆孔瓦斯同時(shí)大量涌出，造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.4通風(fēng)防塵工作

通過使用高效能風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)，這些風(fēng)機(jī)具有強(qiáng)制輸送空氣的能力，實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)的換氣和壓力平衡。例如：安裝具有至少10000m3/h的流量能力和2000Pa的靜壓力的軸流風(fēng)機(jī)，以覆蓋更長的巷道距離，這些風(fēng)機(jī)的布置需根據(jù)巷道的具體地質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保有效的空氣流通。自然通風(fēng)則利用巷道內(nèi)外的溫度、壓力和密度差異，促進(jìn)空氣的自然流動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮巷道的傾角和走向，利用重力和溫差來引導(dǎo)空氣流動(dòng)，減少能耗。

在防塵方面，施工期間的灑水系統(tǒng)是關(guān)鍵。通過在巷道掘進(jìn)機(jī)前端和煤壁旁設(shè)置噴水裝置，不僅可以有效地抑制粉塵飛揚(yáng)，還可以在一定程度上減少瓦斯的積聚。噴嘴的設(shè)計(jì)要確保噴水覆蓋整個(gè)工作面，而水壓需維持在200～400kPa之間，以形成細(xì)小的水霧粒子，有效降低空氣中的粉塵濃度。

此外，為了更有效地控制瓦斯和粉塵的濃度，需根據(jù)巷道的長度、斷面以及瓦斯涌出量來定制通風(fēng)管道系統(tǒng)。通風(fēng)管道需有足夠的直徑（600～1200mm之間），以保持足夠的風(fēng)量和風(fēng)速，風(fēng)速在2～5m/s之間，以有效稀釋瓦斯和粉塵。巷道內(nèi)部的通風(fēng)布局也需科學(xué)規(guī)劃，采用局部通風(fēng)系統(tǒng)將新鮮空氣直接送入工作，設(shè)置風(fēng)門控制巷道內(nèi)的氣流方向和速度。對(duì)于通風(fēng)防塵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，需要通過安裝在巷道各關(guān)鍵點(diǎn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這些監(jiān)測儀能夠測量空氣中的甲烷、二氧化硫、一氧化碳等有害氣體的濃度，以及空氣中的粉塵濃度，通過傳感器，實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)傳輸至中控室，工作人員可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整風(fēng)機(jī)功率和噴水系統(tǒng)，確保巷道內(nèi)環(huán)境符合安全健康標(biāo)準(zhǔn)。

2.煤炭采礦工程支護(hù)技術(shù)

2.1混凝土支護(hù)技術(shù)

對(duì)于預(yù)制混凝土襯砌，通過在地面預(yù)制具有特定彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的混凝土板，然后將其運(yùn)輸至礦井下安裝。這種襯砌板的尺寸根據(jù)巷道的尺寸定制，一般厚度為150～300mm，以確保足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在安裝前，需對(duì)預(yù)制板進(jìn)行表面處理，以確保其與巷道圍巖間有良好的接觸和結(jié)合。安裝時(shí)，使用專用的連接件和環(huán)氧樹脂等密封材料來固定并密封襯砌板，防止水和其他地下液體的滲入。噴射混凝土技術(shù)通過使用濕噴或干噴機(jī)械設(shè)備，將混凝土噴射到巷道的圍巖表面上。在噴射前，首先對(duì)圍巖表面進(jìn)行清理，去除松動(dòng)的巖石和灰塵，然后施加一層粘結(jié)劑以增強(qiáng)噴射混凝土與圍巖的粘結(jié)力。混凝土的配比包括水泥、砂、石子和必要的添加劑，以提高其流動(dòng)性、粘附性和快速硬化性。在噴射過程中，噴射厚度控制在100～200mm，根據(jù)地質(zhì)情況，可能需要分層噴射，每層間隔時(shí)間為幾小時(shí)到1d，以確保每層混凝土的適當(dāng)固化。混凝土錨桿的使用為巷道提供了附加的穩(wěn)定性，錨桿的安裝包括鉆孔、安裝鋼筋或纖維錨桿、注入灌漿。根據(jù)地質(zhì)條件和錨桿，設(shè)計(jì)鉆孔的深度和直徑，直徑為25～40mm。使用的灌漿材料為特殊的水泥基混合物，其具有良好的流動(dòng)性和早期強(qiáng)度，能夠在錨桿周圍形成堅(jiān)固的圓柱體，提高錨固力。

2.2錨桿支護(hù)技術(shù)

根據(jù)圍巖的條件和巷道的具體需求，選擇鋼筋錨桿或纖維錨桿。鋼筋錨桿普遍用于較硬的巖石中，其直徑一般為20～25mm，長度從1.5m到4m不等，以適應(yīng)不同的巖石條件和支護(hù)需求。纖維錨桿則適用于較松散或濕潤的地層，因其更好的抗腐蝕性和柔韌性，適合復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。在使用鉆孔機(jī)進(jìn)行鉆孔時(shí)，鉆孔的直徑必須稍大于錨桿的直徑，以確保錨桿可以順利安裝。依據(jù)工程設(shè)計(jì)鉆孔深度，為錨桿長度加上10～30cm的儲(chǔ)備長度。根據(jù)巷道的斷面尺寸和巖層情況精確測量和規(guī)劃鉆孔位置和間距，形成均勻的支護(hù)網(wǎng)絡(luò)。錨桿安裝包括將錨桿插入鉆孔并使用適當(dāng)?shù)腻^固劑固定。錨固劑常用的有快速硬化的水泥漿或樹脂，這些材料能迅速在錨桿與巖石間形成強(qiáng)力的粘結(jié)。對(duì)于水泥漿的比例調(diào)配，需要根據(jù)廠家的規(guī)格進(jìn)行，確保最佳的粘結(jié)效果。在深鉆孔或潮濕條件下，可能優(yōu)先選擇樹脂作為錨固劑，因其擁有快速固化和優(yōu)越的水中性能。在錨桿安裝后，使用液壓張拉設(shè)備進(jìn)行張拉，對(duì)每根錨桿施加100～200kN張力。張拉后，錨桿的外端用金屬板和螺母固定，以維持張力狀態(tài)。采用拉力測試儀和位移傳感器等設(shè)備定期檢測已安裝錨桿的張力和位移情況，確保其在長期負(fù)載下的穩(wěn)定性和安全性。此外，對(duì)錨桿進(jìn)行定期視覺檢查，查找任何可能的腐蝕或損傷，并進(jìn)行必要的維護(hù)。

2.3預(yù)留煤柱支護(hù)技術(shù)

此技術(shù)通過在開采區(qū)域內(nèi)有計(jì)劃地預(yù)留煤柱，以維持巷道的穩(wěn)定性，減少地表沉降，并控制礦區(qū)的壓力環(huán)境。煤柱尺寸和形狀的決定因素包括煤層的厚度、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、覆巖深度及預(yù)期的采礦壓力。在礦區(qū)規(guī)劃階段，煤柱被劃分為規(guī)則的網(wǎng)格模式，每個(gè)網(wǎng)格代表一個(gè)采礦單元。網(wǎng)格的尺寸直接關(guān)聯(lián)到煤柱的大小，常見的尺寸為10m×10m～30m×30m，根據(jù)煤層的安全裕度和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。在采礦作業(yè)中，需嚴(yán)格規(guī)劃每個(gè)網(wǎng)格的開采順序和方式，以最小化對(duì)煤柱結(jié)構(gòu)完整性的影響。對(duì)煤柱的定位，通常考慮如何有效控制開采區(qū)與未開采區(qū)之間的應(yīng)力分布，煤柱應(yīng)均勻分布在巷道周圍，特別是在重要結(jié)構(gòu)如通風(fēng)系統(tǒng)和運(yùn)輸路線的附近，以增強(qiáng)整體的穩(wěn)定性。在施工過程中，通過使用高精度的地面和地下測量設(shè)備，確保每個(gè)煤柱按設(shè)計(jì)精確放置[5]。此外，為了提高煤柱的承載能力，可采用化學(xué)注漿技術(shù)，通過在煤柱內(nèi)部注入化學(xué)樹脂或水泥漿體來增加其穩(wěn)定性，這種方法特別適用于存在大面積空洞或裂縫的煤柱，能有效提高煤柱的整體強(qiáng)度和抗變形能力。

2.4剛性支架支護(hù)技術(shù)

對(duì)于剛性支架的設(shè)計(jì)與安裝，首先需要根據(jù)地質(zhì)條件和巷道尺寸進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。支架的主要組成部分包括立柱、橫梁和頂板，每個(gè)部件的規(guī)格和材質(zhì)都需精心選擇。通常，支架立柱采用Q235或Q345鋼等高強(qiáng)度鋼材，直徑在200～300mm之間，壁厚為8～12mm，以提供足夠的承載能力和抗變形性能。對(duì)于橫梁和頂板的設(shè)計(jì)，則需考慮與立柱的連接方式和支撐區(qū)域的覆蓋范圍，確保結(jié)構(gòu)的整體性。在具體施工中，首先，進(jìn)行巷道的清理和初步測量，以確定支架的安裝位置，間距為1.0～1.5m；然后，安裝立柱，確保其垂直度和位置精確。立柱通常通過底部的基座固定在地面上，基座采用鋼板和錨栓固定，確保立柱在受到圍巖壓力時(shí)不會(huì)發(fā)生位移。安裝橫梁時(shí)，采用高強(qiáng)度螺栓或焊接方式將其固定在立柱上，橫梁的長度需與巷道寬度相匹配，通常為3～4m。頂板的安裝則需覆蓋整個(gè)巷道頂面，頂板通常采用鋼板或預(yù)制混凝土板，厚度在10～20mm之間，以提供足夠的抗壓強(qiáng)度。頂板與橫梁之間采用焊接或螺栓連接，確保頂板在受到圍巖壓力時(shí)能夠有效傳遞和分散應(yīng)力。在安裝過程中，需使用專業(yè)設(shè)備如液壓起重機(jī)和高精度水平儀，確保每個(gè)部件的安裝位置和角度符合設(shè)計(jì)要求。安裝完成后，全面檢查整個(gè)支架系統(tǒng)，包括連接件的緊固情況、立柱的垂直度和頂板的平整度等。必要時(shí)，使用混凝土灌漿對(duì)立柱基座進(jìn)行加固，以提高支架系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

3結(jié)語

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的掘進(jìn)流程控制可以保證巷道的穩(wěn)定性；使用高效的氣體檢測儀器和抽放系統(tǒng)進(jìn)行高效的瓦斯排放管理，保障礦井環(huán)境安全；通過科學(xué)的通風(fēng)防塵措施，利用機(jī)械通風(fēng)和灑水系統(tǒng)，有助于提升空氣質(zhì)量。混凝土支護(hù)技術(shù)通過預(yù)制混凝土襯砌和噴射混凝土增強(qiáng)巷道強(qiáng)度；錨桿支護(hù)技術(shù)使用高強(qiáng)度鋼筋或纖維錨桿提高巖層穩(wěn)定性；預(yù)留煤柱支護(hù)技術(shù)通過合理布局和監(jiān)測提高巷道承載能力；剛性支架支護(hù)技術(shù)利用高強(qiáng)度鋼材和精密安裝確保巷道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。通過綜合應(yīng)用這些技術(shù)，煤炭采礦工程能夠在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)安全、高效的生產(chǎn)目標(biāo)。

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