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【摘 要】众所周知，煤矿掘进工作支护安全问题是困扰煤炭生产多年的一项技术难题。本文系统归纳了煤矿冒顶事故的特点和原因，探讨了煤矿巷道的相关支护形式及技术，通过探讨几个影响煤巷锚杆支护安全可靠性的因素，提出了改进锚杆支护质量的相应措施，以加强我们的采矿专业的专业素养。
【关键词】煤矿巷道；支护形式；巷道掘进；影响因素
引言
我国煤层赋存条件复杂，呈现多样性，煤层厚度从零点几米到几十米之间变化，为了开采煤炭，需要开掘大量的煤岩巷道。支护的安全问题是长期困扰煤炭生产的技术难题，由于巷道掘进后顶板不能及时得到有效的支护，经常会造成顶板掉矸伤人事故。锚杆支护是我国煤矿巷道支护技术的发展方向，是一种先进的支护方式。煤巷锚杆支护作为煤巷支护改革的主要手段已得到广泛应用，取得了显著的经济效益和社会效益，但也发生过重大支护失效事故。因此，在煤巷使用锚杆支护时，除遵循常规的规范和安全分析外，还必须将稳定可靠性作为一个重要的设计研究指标，以保证锚杆支护结构的稳定性具有足够的可靠度。
1.冒顶事故的特点和原因
1.1冒顶事故的特点
冒顶事故一般都是在地质条件发生变化的地点，如有小断层、岩石破碎、顶板裂隙发育或近距离煤层的层间距变小、顶板锚杆锚固点附近有煤线或有明显的极易离层的岩层弱面存在。一般范围较大，基本在巷道成巷部分，大多发生在掘进施工期间，且大多发生在瞬间，随机性很大。
1.2冒顶事故的原因
造成冒顶事故的原因主要在支护设计方面和生产管理方面。支护设计方面存在重视顶板支护而轻视巷帮支护设计，巷帮支护强度不够，锚固力低，支护效果差，造成煤壁松软，发生片帮后，巷道跨度增大，引起应力重新分布，致使顶板悬顶面积增大，最后顶板靠近煤帮破断，发生大面积冒落。生产管理方面表现在技术管理和质量管理不到位。在顶板岩性发生变化时，区队没有及时将信息反馈给技术部门，最终导致顶板事故发生。
2.煤矿巷道的支护形式
2.1砌碹支护
砌碹支护是应用很早的支护方式，目前在一些矿井的硐室、大巷中仍然采用。按砌碹支护材料可分为：料石、混凝土砌块、现浇混凝土、现浇钢筋混凝土等。但是，砌碹支护属于刚性被动支护，不仅支护成本高、施工速度慢，劳动强度大，而且不能适应围岩大变形。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。
2.2棚式支架
煤矿巷道的主要支护方式是棚式支护，在20世纪90年代初，这种支护所占的比重高达80%以上。按支护材料可分为木支架、钢筋混凝土支架及金属支架，其中木支架与钢筋混凝土支架已经逐步被淘汰。金属支架按工作原理分刚性与可缩性支架；按支架材料分为工字钢、U型钢及其它；按断面分为梯形、拱形、圆形、环形。但是，棚式支架也属于被动支护，支架与巷道表面很难密切接触，控制围岩早期变形的能力差，在复杂困难条件下支护效果差、成本高。棚式支架的用量在逐年减少，被锚杆支护逐渐替代。
2.3锚喷支护
1956年开始我国煤矿在岩巷中开始使用锚喷支护，至今已有50多年的历史。喷射混凝土可及时封闭巷道周边，实施密贴支护，减少水、风对围岩强度的影响。锚杆可及时支护围岩，起到主动加固作用，充分发挥围岩的自承能力。经过多年来连续不断的研究、试验与推广应用，锚喷支护技术无论在支护理论、支护设计，还是支护材料、施工机具与工艺、质量检测与矿压监测方面都取得了长足发展。锚喷支护不仅成为岩巷首选的、性能优越的支护形式，而且锚杆支护也成为煤巷的主体支护方式。
2.4注浆加固
在破碎煤岩体中开掘或维修巷道，采用棚式支护或锚杆支护很难取得较好的支护效果，围岩注浆加固是一条有效途径。注浆浆液可充填围岩裂隙，将破碎岩体固结，改善围岩结构，增加围岩自身承载能力。目前注浆材料主要有两大类型：水泥基材料和高分子材料，可根据巷道地质与生产条件选取。
2.5复合支护
复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。如果能充分发挥每种支护方式的支护性能，做到优势互补，复合支护会有更好的支护效果和更广泛的适用范围。复合支护虽然适用范围广，但支护费用高，成巷速度慢，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破的情况。应针对巷道具体条件，选择合理的复合支护形式，才能达到预期效果。
2.6应力控制技术
将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是巷道围岩变形控制的另一个途径。将巷道布置在应力降低区是首选的方法。巷道布置方向优化、断面形状与尺寸优化，均可改善巷道受力状况。人工应力控制措施主要有切缝、钻卸压孔、爆破及掘卸压巷等方式。由于人工应力控制方法施工比较复杂，目前还没有大面积推广应用。
3.影响煤巷锚杆支护安全可靠性的几个方面
煤巷锚杆支护的安全可靠性，是指所采用的锚杆支护系统，在巷道整个服务期间内，满足安全和生产需要的程度。从设计方法、地质条件到锚杆施工质量、工程监测都影响到锚杆支护系统的安全可靠性。
3.1设计方法
煤巷锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护工程的质量优劣、是否安全可靠以及是否经济合理等问题。目前国内外煤巷锚杆支护设计可分为工程类比法、支护机理计算法、数值计算法。工程类比法需要设计者有较多的工程经验，而且对巷道类别要准确界定，是一种依据经验进行设计的方法。根据锚杆支护机理理论进行设计是针对某一理论的特定围岩岩性和岩体结构所采取的支护形式。随着岩性和顶板结构的变化，有时某一支护作用更显突出，有时另一种支护机理起主导作用，目前尚未形成综合各种支护机理的锚杆支护参数计算方法。数值计算法是一种有前途的设计方法，目前还处于研究阶段，获得广泛应用还需要一定时间。
3.2地质条件预测 巷道围岩是一个极其复杂的地质体，在进行巷道布置和支护设计时，应对围岩各类地质力学条件充分了解。对于煤巷锚杆支护设计，需要进行多方面的地质力学测试。
3.2.1围岩强度测试，在井下钻孔中进行巷道围岩强度测试，与实验室岩块强度测试相比，同时还可以测出软弱破碎岩层的强度。
3.2.2围岩结构测试
利用光导纤维窥视仪，裂隙等结构面的分布及发展变化。
3.2.3围岩深部位移和破坏范围测试。
3.2.4地应力测试。
3.2.5锚固性能测试，在现场进行锚杆拉拔破坏性实验锚固剂与岩层。锚杆之间的黏结性能以及杆体的破断力，以此作为锚杆支护参数设计的重要依据。
3.3锚杆施工质量
锚杆的锚固力与预拉力是两个不同概念，锚杆的锚固力反映了锚杆固结岩的能力，而锚杆的预拉力大小反映了锚杆对围岩的主动加固能力。预拉力锚杆支护的关键是通过锚杆及附属构件对围岩施加外力，使锚固范围内的顶板受水平应力作用时处于横向压缩状态，形成自撑机构。在维护岩体自身稳定的同时能承受上部载荷，维护岩体的连续.稳定。锚杆预拉力大到一定程度时。锚固范围内及锚固长度之外的围岩不存在离层破坏。目前煤巷锚杆支护普遍使用树脂锚固剂，要想使锚杆有较大的预拉力，锚杆施工质量要得到保证。
3.4工程监测
煤巷锚杆支护工程监测的主要内容是对顶板离层及巷道位移量的监测。顶板离层指巷道服务期内顶板岩层中一点与其正上方一定深度岩层中某点的相对位移量，一般将离层划分为锚杆锚固范围内顶板离层和锚固范围外顶板离层。目前在煤矿中使用的顶板离层指示仪是以不同的颜色段对顶板锚固范围内和锚固范围外离层情况提供连续的直观显示，以便向井下作业人员随时警示顶板变化情况，及早发现顶板失稳的征兆，便于采取必要的加固措施。实际使用中存在如何确定顶板离层界限的问题。顶板离层界限是指锚杆支护巷道在正常使用情况下，所允许的顶板离层的范围。超过这一范围意味着顶板将处于非稳定状态之中，应该密切注意顶板动态，及时采取相应的补强措施。
4.提高锚杆支护质量的相应措施
4.1加强技术管理
支护设计必须执行围岩、煤层条件分类—支护设计—安全监控与分析—修正完善设计的程序，且支护设计必须建立在对顶板和煤层条件有清晰认识和判断的基础之上。支护设计完成后，必须进行支护效果的观测，支护形式必须随施工条件的变化而改变，坚持“帮顶同治”的思想。实践证明，加固两帮及底角，可以明显抑制底板鼓起，提高围岩的稳定性，作用十分明显。巷帮支护要全面淘汰初锚力低、锚固效果差的非金属锚杆，采用金属锚杆。另外，由于钢筋梯子梁存在易撕裂、抗剪强度小、不能紧贴岩面、接触面积小等不足，建议顶板支护推广使用“W”或“M”型钢带，逐步淘汰金属梯子梁。
4.2加强质量管理
4.2.1加强施工管理
在现场施工中要提高锚杆预拉力，保证锚杆施工质量。推广应用高性能锚杆，既要安装方便，减小安装时的摩擦力，保证预拉力的实现，又要有醒目的标志直观显示安装施工质量，将锚杆支护这一隐蔽性工程显性化。采用大扭矩的锚杆施工机具，提高工人操作水平，保证锚杆安装质量，充分发挥锚杆在支护中的作用。
4.2.2加强监测管理
锚杆支护巷道顶板离层成因复杂，影响因素多，在实际生产中，要按要求安设多种监测仪器，并充分发挥监测设备应有的作用。现在，已开发的数显离层指示仪能提供连续直观的离层数据显示，以便向井下作业人员随时警示顶板变化情况，及早发现顶板失稳的征兆，便于采取必要的加固措施。同时，在不同的施工条件下综合考虑锚杆受力大小、巷道表面位移、巷道感观变化等因素，以此作为判断巷道安全可靠性和采取补强措施的依据。
4.2.3加强现场管理
生产班组管理是各项管理的基础和关键，抓好班组质量管理对保证锚杆巷道的支护安全至关重要。施工过程中要不断提高工艺技术水平，保证支护质量。第一，控制巷道成形。因为成形不好，会直接破坏围岩强度，不利锚杆托板与岩面密贴，锚杆受力条件变差。第二，实现及时支护。及时支护是巷道稳定的保证，没有及时支护，成形的帮、平稳的顶也会被破坏。第三，保证锚杆的安装质量。强化打眼质量和锚杆快速安装工艺的管理，使锚杆具有一定的初锚力，同时要使钢带、金属网等护表构件紧贴岩面，充分发挥其护表功能。第四，在过断层、压力集中区、淋水段等围岩条件复杂区域，必须采取有效的工艺技术措施，及时缩小循环进度。尤其应当注意的是当锚索钻孔出现导水迹象时，必须采用支撑式支护。
5.结论
我国的煤炭工业经过了几十年的发展，煤矿开采技术、巷道系统布置已日渐成熟，锚杆支护技术是继我国煤矿成功应用综合机械化采煤技术以来采掘技术的又一次革命。它不仅保证了采煤工作面的安全、快速、高效推进， 煤炭产量和效益的大幅度增长， 而且深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式。
【关键词】煤矿巷道；支护形式；巷道掘进；影响因素
引言
我国煤层赋存条件复杂，呈现多样性，煤层厚度从零点几米到几十米之间变化，为了开采煤炭，需要开掘大量的煤岩巷道。支护的安全问题是长期困扰煤炭生产的技术难题，由于巷道掘进后顶板不能及时得到有效的支护，经常会造成顶板掉矸伤人事故。锚杆支护是我国煤矿巷道支护技术的发展方向，是一种先进的支护方式。煤巷锚杆支护作为煤巷支护改革的主要手段已得到广泛应用，取得了显著的经济效益和社会效益，但也发生过重大支护失效事故。因此，在煤巷使用锚杆支护时，除遵循常规的规范和安全分析外，还必须将稳定可靠性作为一个重要的设计研究指标，以保证锚杆支护结构的稳定性具有足够的可靠度。
1.冒顶事故的特点和原因
1.1冒顶事故的特点
冒顶事故一般都是在地质条件发生变化的地点，如有小断层、岩石破碎、顶板裂隙发育或近距离煤层的层间距变小、顶板锚杆锚固点附近有煤线或有明显的极易离层的岩层弱面存在。一般范围较大，基本在巷道成巷部分，大多发生在掘进施工期间，且大多发生在瞬间，随机性很大。
1.2冒顶事故的原因
造成冒顶事故的原因主要在支护设计方面和生产管理方面。支护设计方面存在重视顶板支护而轻视巷帮支护设计，巷帮支护强度不够，锚固力低，支护效果差，造成煤壁松软，发生片帮后，巷道跨度增大，引起应力重新分布，致使顶板悬顶面积增大，最后顶板靠近煤帮破断，发生大面积冒落。生产管理方面表现在技术管理和质量管理不到位。在顶板岩性发生变化时，区队没有及时将信息反馈给技术部门，最终导致顶板事故发生。
2.煤矿巷道的支护形式
2.1砌碹支护
砌碹支护是应用很早的支护方式，目前在一些矿井的硐室、大巷中仍然采用。按砌碹支护材料可分为：料石、混凝土砌块、现浇混凝土、现浇钢筋混凝土等。但是，砌碹支护属于刚性被动支护，不仅支护成本高、施工速度慢，劳动强度大，而且不能适应围岩大变形。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。
2.2棚式支架
煤矿巷道的主要支护方式是棚式支护，在20世纪90年代初，这种支护所占的比重高达80%以上。按支护材料可分为木支架、钢筋混凝土支架及金属支架，其中木支架与钢筋混凝土支架已经逐步被淘汰。金属支架按工作原理分刚性与可缩性支架；按支架材料分为工字钢、U型钢及其它；按断面分为梯形、拱形、圆形、环形。但是，棚式支架也属于被动支护，支架与巷道表面很难密切接触，控制围岩早期变形的能力差，在复杂困难条件下支护效果差、成本高。棚式支架的用量在逐年减少，被锚杆支护逐渐替代。
2.3锚喷支护
1956年开始我国煤矿在岩巷中开始使用锚喷支护，至今已有50多年的历史。喷射混凝土可及时封闭巷道周边，实施密贴支护，减少水、风对围岩强度的影响。锚杆可及时支护围岩，起到主动加固作用，充分发挥围岩的自承能力。经过多年来连续不断的研究、试验与推广应用，锚喷支护技术无论在支护理论、支护设计，还是支护材料、施工机具与工艺、质量检测与矿压监测方面都取得了长足发展。锚喷支护不仅成为岩巷首选的、性能优越的支护形式，而且锚杆支护也成为煤巷的主体支护方式。
2.4注浆加固
在破碎煤岩体中开掘或维修巷道，采用棚式支护或锚杆支护很难取得较好的支护效果，围岩注浆加固是一条有效途径。注浆浆液可充填围岩裂隙，将破碎岩体固结，改善围岩结构，增加围岩自身承载能力。目前注浆材料主要有两大类型：水泥基材料和高分子材料，可根据巷道地质与生产条件选取。
2.5复合支护
复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。如果能充分发挥每种支护方式的支护性能，做到优势互补，复合支护会有更好的支护效果和更广泛的适用范围。复合支护虽然适用范围广，但支护费用高，成巷速度慢，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破的情况。应针对巷道具体条件，选择合理的复合支护形式，才能达到预期效果。
2.6应力控制技术
将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是巷道围岩变形控制的另一个途径。将巷道布置在应力降低区是首选的方法。巷道布置方向优化、断面形状与尺寸优化，均可改善巷道受力状况。人工应力控制措施主要有切缝、钻卸压孔、爆破及掘卸压巷等方式。由于人工应力控制方法施工比较复杂，目前还没有大面积推广应用。
3.影响煤巷锚杆支护安全可靠性的几个方面
煤巷锚杆支护的安全可靠性，是指所采用的锚杆支护系统，在巷道整个服务期间内，满足安全和生产需要的程度。从设计方法、地质条件到锚杆施工质量、工程监测都影响到锚杆支护系统的安全可靠性。
3.1设计方法
煤巷锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护工程的质量优劣、是否安全可靠以及是否经济合理等问题。目前国内外煤巷锚杆支护设计可分为工程类比法、支护机理计算法、数值计算法。工程类比法需要设计者有较多的工程经验，而且对巷道类别要准确界定，是一种依据经验进行设计的方法。根据锚杆支护机理理论进行设计是针对某一理论的特定围岩岩性和岩体结构所采取的支护形式。随着岩性和顶板结构的变化，有时某一支护作用更显突出，有时另一种支护机理起主导作用，目前尚未形成综合各种支护机理的锚杆支护参数计算方法。数值计算法是一种有前途的设计方法，目前还处于研究阶段，获得广泛应用还需要一定时间。
3.2地质条件预测 巷道围岩是一个极其复杂的地质体，在进行巷道布置和支护设计时，应对围岩各类地质力学条件充分了解。对于煤巷锚杆支护设计，需要进行多方面的地质力学测试。
3.2.1围岩强度测试，在井下钻孔中进行巷道围岩强度测试，与实验室岩块强度测试相比，同时还可以测出软弱破碎岩层的强度。
3.2.2围岩结构测试
利用光导纤维窥视仪，裂隙等结构面的分布及发展变化。
3.2.3围岩深部位移和破坏范围测试。
3.2.4地应力测试。
3.2.5锚固性能测试，在现场进行锚杆拉拔破坏性实验锚固剂与岩层。锚杆之间的黏结性能以及杆体的破断力，以此作为锚杆支护参数设计的重要依据。
3.3锚杆施工质量
锚杆的锚固力与预拉力是两个不同概念，锚杆的锚固力反映了锚杆固结岩的能力，而锚杆的预拉力大小反映了锚杆对围岩的主动加固能力。预拉力锚杆支护的关键是通过锚杆及附属构件对围岩施加外力，使锚固范围内的顶板受水平应力作用时处于横向压缩状态，形成自撑机构。在维护岩体自身稳定的同时能承受上部载荷，维护岩体的连续.稳定。锚杆预拉力大到一定程度时。锚固范围内及锚固长度之外的围岩不存在离层破坏。目前煤巷锚杆支护普遍使用树脂锚固剂，要想使锚杆有较大的预拉力，锚杆施工质量要得到保证。
3.4工程监测
煤巷锚杆支护工程监测的主要内容是对顶板离层及巷道位移量的监测。顶板离层指巷道服务期内顶板岩层中一点与其正上方一定深度岩层中某点的相对位移量，一般将离层划分为锚杆锚固范围内顶板离层和锚固范围外顶板离层。目前在煤矿中使用的顶板离层指示仪是以不同的颜色段对顶板锚固范围内和锚固范围外离层情况提供连续的直观显示，以便向井下作业人员随时警示顶板变化情况，及早发现顶板失稳的征兆，便于采取必要的加固措施。实际使用中存在如何确定顶板离层界限的问题。顶板离层界限是指锚杆支护巷道在正常使用情况下，所允许的顶板离层的范围。超过这一范围意味着顶板将处于非稳定状态之中，应该密切注意顶板动态，及时采取相应的补强措施。
4.提高锚杆支护质量的相应措施
4.1加强技术管理
支护设计必须执行围岩、煤层条件分类—支护设计—安全监控与分析—修正完善设计的程序，且支护设计必须建立在对顶板和煤层条件有清晰认识和判断的基础之上。支护设计完成后，必须进行支护效果的观测，支护形式必须随施工条件的变化而改变，坚持“帮顶同治”的思想。实践证明，加固两帮及底角，可以明显抑制底板鼓起，提高围岩的稳定性，作用十分明显。巷帮支护要全面淘汰初锚力低、锚固效果差的非金属锚杆，采用金属锚杆。另外，由于钢筋梯子梁存在易撕裂、抗剪强度小、不能紧贴岩面、接触面积小等不足，建议顶板支护推广使用“W”或“M”型钢带，逐步淘汰金属梯子梁。
4.2加强质量管理
4.2.1加强施工管理
在现场施工中要提高锚杆预拉力，保证锚杆施工质量。推广应用高性能锚杆，既要安装方便，减小安装时的摩擦力，保证预拉力的实现，又要有醒目的标志直观显示安装施工质量，将锚杆支护这一隐蔽性工程显性化。采用大扭矩的锚杆施工机具，提高工人操作水平，保证锚杆安装质量，充分发挥锚杆在支护中的作用。
4.2.2加强监测管理
锚杆支护巷道顶板离层成因复杂，影响因素多，在实际生产中，要按要求安设多种监测仪器，并充分发挥监测设备应有的作用。现在，已开发的数显离层指示仪能提供连续直观的离层数据显示，以便向井下作业人员随时警示顶板变化情况，及早发现顶板失稳的征兆，便于采取必要的加固措施。同时，在不同的施工条件下综合考虑锚杆受力大小、巷道表面位移、巷道感观变化等因素，以此作为判断巷道安全可靠性和采取补强措施的依据。
4.2.3加强现场管理
生产班组管理是各项管理的基础和关键，抓好班组质量管理对保证锚杆巷道的支护安全至关重要。施工过程中要不断提高工艺技术水平，保证支护质量。第一，控制巷道成形。因为成形不好，会直接破坏围岩强度，不利锚杆托板与岩面密贴，锚杆受力条件变差。第二，实现及时支护。及时支护是巷道稳定的保证，没有及时支护，成形的帮、平稳的顶也会被破坏。第三，保证锚杆的安装质量。强化打眼质量和锚杆快速安装工艺的管理，使锚杆具有一定的初锚力，同时要使钢带、金属网等护表构件紧贴岩面，充分发挥其护表功能。第四，在过断层、压力集中区、淋水段等围岩条件复杂区域，必须采取有效的工艺技术措施，及时缩小循环进度。尤其应当注意的是当锚索钻孔出现导水迹象时，必须采用支撑式支护。
5.结论
我国的煤炭工业经过了几十年的发展，煤矿开采技术、巷道系统布置已日渐成熟，锚杆支护技术是继我国煤矿成功应用综合机械化采煤技术以来采掘技术的又一次革命。它不仅保证了采煤工作面的安全、快速、高效推进， 煤炭产量和效益的大幅度增长， 而且深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式。