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第一章掘进巷道支护安全第一是煤矿生产的一项基本方针，搞好顶板管理工作是贯彻执行这一方针的重要环节。但是，一些煤矿特别是煤矿仍然存在采掘机械化程度低、支护方式落后、支护设计不合理、违章空顶作业等突出问题，顶板事故多发。2004年——2008年我市有证及无证煤矿共发生各类事故109起，死亡人数331人，顶板事故42起，死亡71人，顶板事故占事故总数的38.5%，死亡人数占死亡总人数的21.5%。这充分说明了在我市煤矿中，顶板事故没有得到有效的控制，要确保煤矿生产安全，加强顶板管理是杜绝安全生产事故发生的关键。一、矿山压力的概念煤矿在开采生产中必然要开挖一系列的井筒、巷道、硐室及采掘工作面等地下空间，它们的开凿破坏了原始岩体内的应力平衡状态，引起岩体内部应力重新分布，直至重新形成新的平衡状态为止。矿山压力正是由于地下采掘活动的影响而引起的岩层作用在井巷、硐室和采掘工作面周围煤岩体中以及支护物上的各种力的总称，简称矿压，也称地压。第一节矿山压力基础知识在矿山压力作用下，会引起许多外在的力学现象，如顶板下沉、底板鼓起、巷道变形、岩体破坏甚至大面积冒落、煤壁片帮或突然抛出、支架变形或损坏、以及大量岩层移动、地表塌陷等。这些在矿山压力作用下，围岩或各种人工支护物呈现的各种力学现象，统称为矿山压力显现，简称矿压显现。二、矿山压力分布规律岩煤体没受到采动影响以前，岩煤体内的压力处于平衡状态，岩煤体上所受的是上覆岩层的重量，也称为原岩应力。当在岩煤体内形成采掘空间时，原岩应力的平衡状态被破坏，引起了应力的重新分布，使采掘空间被原采掘物承受的载荷转移到周围支撑体上而形成的压力称为支撑压力。它是工作面附近的岩煤体、煤柱、充填物或冒落的矸石上产生的应力集中现象。（一）掘进工作面巷道围岩应力分布巷道开掘后，顶板岩石就暴露出来，如不进行支护，巷道顶板岩层便失去支撑，开始弯曲下沉，出现一些逐渐扩大、增多的纵横交错的裂缝，导致原来的整体顶板岩石破坏、冒落。这样由下往上、由低到高，不断地破坏与冒落，直到巷道形成类似拱的形状以后，顶板岩石才处于稳定状态。这样形成的拱叫做自然平衡拱，如图：1-1自然平衡拱。自然平衡拱形成以后，支架上只承受拱内岩石的重力，并达到稳定，其大小随拱的形状和大小而变，称为拱形压力。拱外岩石重量由拱承担，拱内形成压力降低区，这时拱上部的压力由巷道两侧的岩石来支承，因而在巷道两侧形成了压力升高区。这时把巷道两侧所承担的压力叫支承压力。经采动影响使应力重新分布后，作用在井巷周围岩体中及支护物上的力叫做巷道矿山压力，简称巷道矿压。巷道矿压的大小主要受巷道所处深度、巷道断面大小、地质构造、围岩性质等因素的影响：（1）深度的影响。一般巷道围岩中原岩应力的大小与上覆岩层重量成正比，造成浅部巷道的压力较小主要表现在顶板，深部巷道的压力较大，并作用于巷道四周，容易出现底臌现象。（2）巷道断面大小的影响。巷道越宽，所形成的自然越大，产生的巷道矿压也越大。（3）地质构造的影响。在向斜轴、背斜轴、断层附近等构造应力集中处，矿压也越大。（4）围岩性质的影响。围岩强度的大小及稳定程度是影响巷道矿压的主要因素：岩石坚硬、稳定，则产生的矿压小；岩石松软破碎、不稳定，则产生的矿压大。（二）巷道矿压1．顶压掘进巷道后，暴露出来的顶板必然向下弯曲，并在巷道中间弯曲较大，在巷道两帮弯曲较小；顶板以及距顶板较近的上部岩层弯曲大，距顶板较远的上部岩层弯曲小。在弯曲大的部分上下岩层之间就会出现裂隙，叫做离层。此时，如巷道无支架支撑，裂隙和离层继续发展，最后顶板就会冒落，最后形成自然平衡拱。如果巷道开掘后立即支护，支架就能阻止或减小岩石弯曲变形和移动。顶板弯曲变形和移动的岩石压在支架上的力叫顶压。顶压的大小决定于冒落拱的形状和大小，而拱的大小同顶板岩石性质和巷道宽度有关。在松软岩层中，平衡拱一般为抛物线形；在坚硬有层理岩石中，平衡拱一般近似三角形；在中硬岩石中，平衡拱介于上述二者之间。2．侧压侧压是指巷道两帮岩体对支架的压力。巷道侧压是由于两帮岩石或煤向巷道内挤压而形成的，其大小与两帮岩石性质及所承受的支承压力的大小有关。巷道所处深度越大，在巷道两帮所产生的支承压力就越大，两帮岩石破坏就越严重，作用在支架上的压力也就越大。而两帮岩石较软或稳定性较差时，遭受破坏就较严重，作用在支架上的压力也就越大。一般巷道开掘后，在巷道的两帮形成支承压力，两帮岩石承受的支承压力超过本身强度时，就会向巷道中间挤出。这种变形使巷道两帮逐渐移近，如果巷道两帮不支护或支护壁后的充填不密实，变形得不到控制，继续发展下去就会造成片帮。片帮后，新暴露出来的两帮会继续向巷道中间挤出，即继续片帮，此时巷道压力会急速增加。3．底压在侧压的作用下，巷道底板将会产生向上的压力，称为底压。底压会使底板岩层弯曲鼓起、离层或破裂。一般巷道往往不设支架底梁阻止底鼓，仅是靠底板岩层本身的强度和重量阻止底压，所以有时底板向上鼓起要比顶板下沉、两帮移近容易得多，也严重得多。巷道底鼓的破坏作用很大，主要表现在减少巷道的实际断面，造成通风、行人和运输困难，以致影响安全。底鼓破坏了底板的完整性，挤碎了底板，使支架两帮的柱腿容易插入底板，减少了支架支撑能力，使顶板下沉、破碎，从而给巷道维护带来困难。底鼓会圾坏轨道、输送机、水沟等巷道设施，影响生产。第二节掘进巷道支护在地下开掘巷道后，破坏了周围岩体的应力平衡，岩体就会向巷道空间挤压，出现矿山压力，使井巷发生变形甚至坍塌。为了维持巷道必要的断面规格，防止围岩发生危险的变形和垮落，保证施工人员的安全，必须设置支撑结构物对井下井筒、巷道和硐室的巷道压力进行支撑。为抵抗巷道压力而支撑巷道岩壁的结构物称为支架。设置巷道支架的施工方法和施工过程称为支护。巷道支护形式和支护材料的选择应综合考虑巷道的用途，巷道服务年限，巷道断面形状及围岩压力的大小等因素。常用的巷道支护形式有架棚支护、砌碹支护和锚喷支护等。一、架棚支护棚式支架俗称棚子，由一梁(顶梁)两柱(柱腿)组成。常用于巷道围岩十分破碎不稳定，不适宜采用锚喷支护，而且巷道服务年限不长(8～10年)，砌碹又不合算的梯形断面的巷道。棚式支架按构成材料可分为木支架、金属支架和装配式钢筋混凝土支架三种；按巷道断面形状可分为梯形支架和拱形支架等；按支架结构可分为刚性支架和可缩性支架。（一）梯形支架一般梯形支架由一梁两柱组成，可采用木支架、金属支架及装配式钢筋混凝土支架。架设梯形支架，应用四个角楔把梁腿接口处（肩窝）与顶板围岩之间楔紧。该处不仅受力集中，并且要通过它使支架构件相互传递作用力。因此，此处接合得是否紧密，肩窝处处理是否得当，会直接影响整个支架的稳定性。1.木支架木支架按照顶梁与柱腿的连接形式有亲口棚子和鸭嘴棚子两种。亲口棚子顶梁和柱腿的联接为相互咬合的亲口接合形式，这种方法最简单，可以在各种地压条件下使用。鸭嘴棚子顶梁和柱腿的连接是采用相互搭接的鸭嘴式接合形式，只能承受来自顶板方向的压力，而且柱腿容易劈裂，很少使用。2．金属支架金属支架具有坚固、耐用、防火、架设方便，可制成各种构件，可回收复用等优点。金属梯形支架有梯形刚性支架和梯形可缩性支架两种类型，一般多用梯形刚性支架。3．装配式混凝土支架装配式混凝土支架简称钢筋混凝土支架，适应于地压稳定、断面小于12m²的巷道，但应避免用于受采动影响的巷道。钢筋混凝土支架可分为普通混凝土支架和预应力混凝土支架现两类。(二)拱形支架金属拱形支架可分为两类，即普通金属拱形支架和U型钢拱形支架。普通金属拱形支架多采用工字钢、矿用工字钢或轻型钢轨制造，没有可缩性，一般仅作巷道临时支护或与锚喷支护巷道联合支护用。U型钢拱形支架采用U型钢制造，具有可缩性，多用于地压大，受采动影响显著的采区巷道。二、砌碹支护砌碹支护是以料石、砌块为主要原料，以水泥砂浆胶结，或以混凝土现场浇灌而成的连续体支护。砌碹支护对围岩能够起到防止风化的作用，具有坚固、耐久、防火、阻水、通风阻力小、材料来源广、便于就地取材等优点。缺点是施工复杂，劳动强度大，成本高，进度慢。一般使用在巷道服务年限超过10年以上，围岩十分破碎同时很不稳定，且有大面积淋水和部分淋水，及水质有化学腐蚀的地段。三、锚喷支护锚喷支护是锚杆支护、锚杆与喷浆以及喷射混凝土联合支护的总称。锚喷支护适用于除围岩很破碎、地压极不稳定的地段之外的所有井筒和巷道中。（一）锚杆支护锚杆支护就是在巷道掘进后，先向围岩打眼，在眼孔内锚入锚杆，把巷道围岩予以加固，充分利用围岩自身的强度，从而达到支护巷道的目的。锚杆不同于一般的支架，它不只是消极地承受巷道围岩所产生的地压和阻止破碎岩石的冒落，而是通过锚入围岩内的锚杆来改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而稳定的岩石带，使锚杆与围岩共同作用而达到支护巷道的目的。（二）喷射混凝土支护喷射混凝土是将水泥、砂、石按一定比例混合搅拌后，送入混凝土喷射机中，用压缩空气将干拌合料送到喷头处，在喷头的水环处加水后，高速喷射到巷道围岩表面，从而起到支护作用的一种支护形式和施工方法。这是一种不用模板，没有浇注和捣固工序的快速、高效的混凝土施工工艺，具有及时、密贴、早强、封闭的特点。根据使用机具或施工方法的不同，喷射混凝土大致可分为干式喷射法、半湿式喷射法和湿式喷射法。(三)锚喷联合支护1．锚杆喷射混凝土支护对比较破碎的、节理裂隙发育比较明显的岩层，巷道掘进后围岩稳定性较差，容易出现局部或大面积冒落，一般应采用锚杆喷射混凝土支护。这种支护方式既能充分发挥锚杆的作用，又能充分发挥喷射混凝土的作用。两种作用相结合，有效地改进了支护的效能，因而得到广泛应用。一般情况下，爆破后应首先及时初喷混凝土封闭围岩，紧接着打注锚杆，随后在一定距离内复喷到设计厚度。2．锚杆喷射混凝土金属网联合支护对于特别松软破碎的断层带，或围岩稳定性差，或受爆破震动较大的巷道，宜选用锚、喷、网联合支护。设置金属网的主要作用是防止收缩而产生裂隙，抵抗震动，使混凝土应力均匀分布，避免局部应力集中，提高喷射混凝土支护能力。金属网用托板固定或绑扎在锚杆端头，为便于施工和避免喷射混凝土时金属网背后出现空洞，金属网格不应小于200mm×200mm。喷射厚度一般不应小于100mm，以便将金属网全部覆盖住，并使金属网至少有20mm厚的保护层。3．钢架喷射混凝土联合支护在软岩巷道中，掘进后先架设钢架，允许围岩收敛变形，基本稳定后再进行喷射混凝土支护，把钢架喷在里面，有时也打一些锚杆，控制围岩变形。这样，钢架自身仍保持相当的支护能力，同时，被喷射混凝土裹住后又起到了“钢筋加固”的作用，而喷射混凝土层具有一定的柔性，对围岩基本稳定后的变形量也可以适应。一、掘进工作面顶板管理的主要内容(1)掌握巷道开掘后围岩体的范围及围岩应力分布情况。根据影响巷道围岩应力的因素：围岩的性质、巷道所处的深度、巷道周围的地质构造、水文变化、巷道的断面形状尺寸等，了解围岩应力分布情及在此应力作用下围岩的变形和位移后，才能选择合适的支护材料、支护形式，达到维护巷道的目的。(2)从有利于巷道围岩的稳定性出发，合理选择巷道的施工方法，减少各工序对顶板管理的影响。(3)按作业规程规定控制工作面空顶距离和临时支护的长度，尽可能缩短工作面空顶时间和临时支护巷道的长度。(4)施工中，做好基础资料的积累和隐蔽工程的记录工作。第三节掘进工作面顶板管理二、巷道掘进期间日常顶板管理工作(1)敲帮问顶。上班进入工作面，打眼放炮前均应敲帮问顶，处理隐患，排除不安全因素后再作业。(2)控制工作面空顶距离，超过规定的空顶距应先支护后掘进。(3)单孔长距离掘进，要经常检查工作面后方支架的情况，发现断梁折腿或变形严重的支架，应加固修复。修复巷道时，修复地点以里的人员应全部撤出，预防冒顶堵人。工作面因放炮崩倒的棚子应由外向里逐架扶棚复位。(4)熟悉掘进巷道出现冒顶事故的原因，加强日常检查，采用针对性措施，预防冒顶片帮事故的发生。三、顶板管理的针对性措施1．新掘巷道应制定的开口安全措施(1)开掘地点要选在顶板稳定，支护完好的地段,并且避开地质构造区、压力集中区、顶板冒落区。(2)