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[摘 要]煤矿生产中地下开采的时候，顶板会突然脱落，导致人员伤亡和设备损坏，导致工程停止。据统计，煤矿生产中顶板事故占总事故的40%，掘进顶板事故占20%，在煤矿事故中占有和大比例。为了降低顶板事故和人员伤害，本文对煤矿巷道掘进断面进行分析，并对煤矿巷道掘进顶板事故提出预防措施，为保障采煤的高效运行贡献自己微薄之力。
[关键词]煤矿；巷道；掘进；顶板事故
中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0015-01
一、巷道断面优化
1、掘进巷道断面的影响因素
目前我国煤矿井下使用的巷道断面形状按构成的轮廓线分为折线形和曲线形两种。折线形主要有矩形、梯形和不规则形，而曲线形主要有直墙拱形（如三心拱形、半圆拱形、圆弧拱形）以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。在煤矿巷道掘进中，巷道断面的形状主要由以下因素决定：
（1）作用在巷道上的地压大小和方向在选择巷道断面形状时期主要作用。
（2）巷道用途和服务年限也是选择巷道断面形状不可缺少的重要因素。
（3）矿区的支架材料和习惯使用的支护方式，也直接影响巷道断面形状的选择。
（4）掘进方法和掘进设备对于巷道断面形状的选择也有一定的影响。
（5）需要风量大的矿井，选择通风阻力小的断面和支护方式，有利于安全和具有经济效益。
2、巷道断面的优化设计
煤矿掘进巷道断面优化有以下几点建议：
（1）巷道围岩矿山压力不大、围岩较稳定、服务年限不长的巷道，断面形状一般选用梯形或矩形巷道，采用工字钢支架，锚杆支架等。
（2）在特殊的地质条件下，如矿山压力较大，有底鼓现象等，选用圆形、马蹄形巷道较有利
（3）随着技术的不断进步，锚喷支护、混凝土砌碹支护、U型钢可缩性支护的逐渐应用和推广，拱形断面、半圆形巷道断面逐渐普及，这种巷道形状选择的使用弹性很大，在矿山压力不大和较大的情况下都可以选用此类型巷道，如井底车场巷道、主要运输大巷等。
二、改善巷道支护方式
1、矿用支护型钢
矿用支护型钢主要用于圆形、半圆拱形以及椭圆形的巷道断面。矿用支护型钢的韧性非常好，矿用支护型钢还具有非常高的抗拉、抗压、抗剪强度以及良好的韧性性能。由于使用环境非常恶劣，使用条件相当复杂，因此，矿用支护型钢的性能要求非常高。井下巷道的支架需要承受横向载荷以及纵向推力，所以巷道支架在两个方向上都应该具有足够大的承载负荷能力，矿用支护型钢断面的几何参数主要是抗弯截面模量，抗弯截面模量应该与巷道支架的承载负荷能力数值接近，这样材料使用经济也有利于提高支架的稳定性。另外，矿用支护型钢断面的几何形状与型钢的抗变形能力还存在着一定的关系，尤其是对U形钢影响。型钢断面的几何形状要和受力后型钢内力（特别是弯矩）分布状况相适应。所以，矿用支护型钢连接后在锁紧和受力过程中，应该满足上、下型钢要能内外吻合，接触面积大，滑移平稳，并使连接件受力状况良好的要求。
2、U型钢拱形可缩性支架
U型钢拱形可缩性支架，一般由顶梁、柱腿、连接件、架间拉杆和背衬材料组成。金属支架的承载负荷能力包括实际承载能力以及极限承载能力。可缩性支架在收缩阶段表现出来的承载能力就是实际承载能力，实际承载能力取决于连接件和支架的工作状况。可缩性支架在刚性阶段表现出来的最大承载能力就是极限承载能力，极限承载能力的标准是不出现塑性变形。一般情况下，极限承载能力大于实际承载能力，而可缩性支架最理想的状态就是实际承载能力与极限承载能力接近。U型钢拱形可缩性支架按支架节数分类有三节、四节、五节之分，见图1。
一般来讲，三节和四节式拱形支架的适用条件是：
（a）巷道断面较小时用三节，较大时用四节。
（b）巷道侧压不大时用三节，侧压较大时用四节，这是因为支架受侧压时顶部的连接件可收缩。
（c）围岩条件和外载变化较大时用四节。
五节式拱形支架有两种：一种是加高式，在三节拱形支架的基础上，在柱腿下端增加两根直腿；另一种是加宽式，顶梁为三节圆弧拱梁。五节拱形支架用于断面较大（宽度较大，或者高度较大）的巷道。按柱腿曲直情况分类有直腿式和曲腿式两种。
3、锚杆支护
锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物，锚杆可以加强巷道围岩的稳定。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆由锚头、杆体及托板组成。按照锚杆与被支护岩体锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式三类。根据锚固段位置与长度又可分为端头锚固与全长锚固两类。按照锚杆作用特点可将其分为主动式与被动式。主动式锚杆安装后施以预应力，使不同岩层间摩擦作用增大，同时将锚固范围内岩层夹紧，形成梁或拱形式的承载结构，可以提高巷道稳定性。被动式锚杆不对杆体施加预应力，只有在围岩开始变形后才开始起加固作用，按照锚杆工作特性可将其划分为刚性及可伸缩性锚杆。可伸缩性锚杆又可分为增阻性和恒阻性锚杆，其典型锚杆支护特性曲线，见图2。
锚杆支护主要是为了加固巷道围岩，加强巷道围岩的稳定性。锚杆支护可以使巷道围岩从载荷体变成围岩承载体。根据相关研究，在地质条件相同的情况下，比较金属支护和锚杆支护的作用，发现巷道围岩的移近量减少了一半。在实际煤矿巷道支护过程中，当单体锚杆无法控制巷道围岩的时候，我们还可以采用组合锚杆的支护形式。组合锚杆有两种形式：一种是树脂锚杆支护形式，树脂锚杆的掩护网可以选择金属菱形网和金属经纬网等，由于金属网消耗钢材较多，目前正在尽可能采用玻璃纤维网或塑料网代替，煤矿常用的钢带型式有：W型钢带、M型钢带、梯形钢带等；另外一种是顶板桁架锚杆支护形式，这种支护由水平拉杆、锚杆和顶板岩层一起形成整个桁架系统，通过水平拉杆的预紧作用而表现为主动式支护，从而大大改善顶板应力状态，增强顶板成拱效应，提高顶板整体抗剪能力。特别适用于围岩变形大的软岩巷道，对于锚杆或其它常规支护方法难于维护的复杂地质条件、软弱破碎顶板控制有重要作用。
三、结语
在煤矿掘进过程中，根据实际地质条件与岩层性质，选择合适的巷道断面形状以及巷道支护施工方式，优化断面设计、防止巷道冒顶，可以有效加固巷道围岩，保障巷道的质量，预防巷道顶板事故发生，减少煤矿工人在井下的操作危险，保障采煤和运输作业的高效运行。
参考文献
[1] 张贵军.略论煤矿巷道掘进发展的因素[J].科技风，2013，09：153.
[2] 杨磊，高远.探析煤矿井下巷道掘进顶板支护[J].河南科技，2013，17：38-39.
[3] 王素芳.关于煤矿巷道掘进施工与支护技术的探讨[J].科技与企业，2013，15：202.
[4] 杨宾华，张勇.如何提高煤矿巷道掘进效率[J].内蒙古煤炭经济，2013，12：135+137.
[关键词]煤矿；巷道；掘进；顶板事故
中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0015-01
一、巷道断面优化
1、掘进巷道断面的影响因素
目前我国煤矿井下使用的巷道断面形状按构成的轮廓线分为折线形和曲线形两种。折线形主要有矩形、梯形和不规则形，而曲线形主要有直墙拱形（如三心拱形、半圆拱形、圆弧拱形）以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。在煤矿巷道掘进中，巷道断面的形状主要由以下因素决定：
（1）作用在巷道上的地压大小和方向在选择巷道断面形状时期主要作用。
（2）巷道用途和服务年限也是选择巷道断面形状不可缺少的重要因素。
（3）矿区的支架材料和习惯使用的支护方式，也直接影响巷道断面形状的选择。
（4）掘进方法和掘进设备对于巷道断面形状的选择也有一定的影响。
（5）需要风量大的矿井，选择通风阻力小的断面和支护方式，有利于安全和具有经济效益。
2、巷道断面的优化设计
煤矿掘进巷道断面优化有以下几点建议：
（1）巷道围岩矿山压力不大、围岩较稳定、服务年限不长的巷道，断面形状一般选用梯形或矩形巷道，采用工字钢支架，锚杆支架等。
（2）在特殊的地质条件下，如矿山压力较大，有底鼓现象等，选用圆形、马蹄形巷道较有利
（3）随着技术的不断进步，锚喷支护、混凝土砌碹支护、U型钢可缩性支护的逐渐应用和推广，拱形断面、半圆形巷道断面逐渐普及，这种巷道形状选择的使用弹性很大，在矿山压力不大和较大的情况下都可以选用此类型巷道，如井底车场巷道、主要运输大巷等。
二、改善巷道支护方式
1、矿用支护型钢
矿用支护型钢主要用于圆形、半圆拱形以及椭圆形的巷道断面。矿用支护型钢的韧性非常好，矿用支护型钢还具有非常高的抗拉、抗压、抗剪强度以及良好的韧性性能。由于使用环境非常恶劣，使用条件相当复杂，因此，矿用支护型钢的性能要求非常高。井下巷道的支架需要承受横向载荷以及纵向推力，所以巷道支架在两个方向上都应该具有足够大的承载负荷能力，矿用支护型钢断面的几何参数主要是抗弯截面模量，抗弯截面模量应该与巷道支架的承载负荷能力数值接近，这样材料使用经济也有利于提高支架的稳定性。另外，矿用支护型钢断面的几何形状与型钢的抗变形能力还存在着一定的关系，尤其是对U形钢影响。型钢断面的几何形状要和受力后型钢内力（特别是弯矩）分布状况相适应。所以，矿用支护型钢连接后在锁紧和受力过程中，应该满足上、下型钢要能内外吻合，接触面积大，滑移平稳，并使连接件受力状况良好的要求。
2、U型钢拱形可缩性支架
U型钢拱形可缩性支架，一般由顶梁、柱腿、连接件、架间拉杆和背衬材料组成。金属支架的承载负荷能力包括实际承载能力以及极限承载能力。可缩性支架在收缩阶段表现出来的承载能力就是实际承载能力，实际承载能力取决于连接件和支架的工作状况。可缩性支架在刚性阶段表现出来的最大承载能力就是极限承载能力，极限承载能力的标准是不出现塑性变形。一般情况下，极限承载能力大于实际承载能力，而可缩性支架最理想的状态就是实际承载能力与极限承载能力接近。U型钢拱形可缩性支架按支架节数分类有三节、四节、五节之分，见图1。
一般来讲，三节和四节式拱形支架的适用条件是：
（a）巷道断面较小时用三节，较大时用四节。
（b）巷道侧压不大时用三节，侧压较大时用四节，这是因为支架受侧压时顶部的连接件可收缩。
（c）围岩条件和外载变化较大时用四节。
五节式拱形支架有两种：一种是加高式，在三节拱形支架的基础上，在柱腿下端增加两根直腿；另一种是加宽式，顶梁为三节圆弧拱梁。五节拱形支架用于断面较大（宽度较大，或者高度较大）的巷道。按柱腿曲直情况分类有直腿式和曲腿式两种。
3、锚杆支护
锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物，锚杆可以加强巷道围岩的稳定。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆由锚头、杆体及托板组成。按照锚杆与被支护岩体锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式三类。根据锚固段位置与长度又可分为端头锚固与全长锚固两类。按照锚杆作用特点可将其分为主动式与被动式。主动式锚杆安装后施以预应力，使不同岩层间摩擦作用增大，同时将锚固范围内岩层夹紧，形成梁或拱形式的承载结构，可以提高巷道稳定性。被动式锚杆不对杆体施加预应力，只有在围岩开始变形后才开始起加固作用，按照锚杆工作特性可将其划分为刚性及可伸缩性锚杆。可伸缩性锚杆又可分为增阻性和恒阻性锚杆，其典型锚杆支护特性曲线，见图2。
锚杆支护主要是为了加固巷道围岩，加强巷道围岩的稳定性。锚杆支护可以使巷道围岩从载荷体变成围岩承载体。根据相关研究，在地质条件相同的情况下，比较金属支护和锚杆支护的作用，发现巷道围岩的移近量减少了一半。在实际煤矿巷道支护过程中，当单体锚杆无法控制巷道围岩的时候，我们还可以采用组合锚杆的支护形式。组合锚杆有两种形式：一种是树脂锚杆支护形式，树脂锚杆的掩护网可以选择金属菱形网和金属经纬网等，由于金属网消耗钢材较多，目前正在尽可能采用玻璃纤维网或塑料网代替，煤矿常用的钢带型式有：W型钢带、M型钢带、梯形钢带等；另外一种是顶板桁架锚杆支护形式，这种支护由水平拉杆、锚杆和顶板岩层一起形成整个桁架系统，通过水平拉杆的预紧作用而表现为主动式支护，从而大大改善顶板应力状态，增强顶板成拱效应，提高顶板整体抗剪能力。特别适用于围岩变形大的软岩巷道，对于锚杆或其它常规支护方法难于维护的复杂地质条件、软弱破碎顶板控制有重要作用。
三、结语
在煤矿掘进过程中，根据实际地质条件与岩层性质，选择合适的巷道断面形状以及巷道支护施工方式，优化断面设计、防止巷道冒顶，可以有效加固巷道围岩，保障巷道的质量，预防巷道顶板事故发生，减少煤矿工人在井下的操作危险，保障采煤和运输作业的高效运行。
参考文献
[1] 张贵军.略论煤矿巷道掘进发展的因素[J].科技风，2013，09：153.
[2] 杨磊，高远.探析煤矿井下巷道掘进顶板支护[J].河南科技，2013，17：38-39.
[3] 王素芳.关于煤矿巷道掘进施工与支护技术的探讨[J].科技与企业，2013，15：202.
[4] 杨宾华，张勇.如何提高煤矿巷道掘进效率[J].内蒙古煤炭经济，2013，12：135+137.