煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用

摘要：在矿井生产系统中，巷旁开挖和支护是保证安全生产和提高生产效率的关键。煤矿开采向深部复杂地质区域扩展，高地应力、强采动影响、软岩流变性等复杂环境对巷道施工效率和支撑的可靠度提出了更高的需求。随着综掘技术不断更新（如智能化掘进机、快速支撑台车）和支护技术（如锚网索耦合、高预应力主动支护、注浆加固）的技术革新，大幅提高了煤矿采矿工程建设的安全和经济性能。本文就煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用，展开分析和论述。

关键词：煤矿采矿工程；巷道掘进；支护技术；应用

引言：在矿山开采过程中，巷道开挖及支护是保证矿山资源安全、有效地生产的关键技术系统，它对矿山施工进度、生产效率和运行安全性具有重要意义。煤矿开采向深部复杂构造带发展，但深部巷道围岩大变形控制困难、松动圈超前支护可靠性差、多工序协同高效运行、复杂条件下的智能监控与预警准确性不足，成为制约矿井高效、高效生产的重要因素。在这样的大环境下，对目前我国煤矿开采中的巷道掘进和支护技术进行较为全面的分析，并将其与实际情况相联系，归纳出相应的工艺适配原则，是解决深部采矿难题，提高矿井综合效率的关键。

一、煤矿采矿工程巷道掘进技术

（一）传统掘进方法

在矿井采掘施工中，采用钻孔爆破法进行常规开挖，具有特殊的工艺要求。它的工作原理是：钻孔－装药－爆破－矸石山。常用的是气腿钻机，炮眼的孔径为38～42 mm，炮眼的厚度根据坑道的结构和岩体的性质确定，一般为1.5～3.5米。在装填过程中需要对药量进行控制，一般岩石巷内的炸药用量在0.6～1.2公斤左右，而在硬岩巷内则在1.2～2.0公斤左右。为达到分段爆破，减少对周围环境的干扰，在此基础上，提出了一种基于微差起爆技术的微差起爆技术。矸石一般采用耙斗式装载机等机械进行卸矸，处理能力为30～150立方米/小时。采用钻孔爆破方法施工硬岩巷，能够应对60 MPa以上的围岩压力。但是，这种开采方式的使用效果差，平均每月掘进50—120米，而且有一定的安全隐患，容易引起瓦斯爆炸和冒顶，危及工人的生命安全。

在机械截割法中，以 EBZ型断面掘进机最为常用。例如，EBZ160具有160 kW的截割力和80 MPa的截割力，适用于煤巷和半煤岩巷的开挖。切削头的速度通常为27～50 r/min，可根据地层的坚硬程度进行调整。其行进装置为履带式，地面的比压较低，可在高低不平的道路上平稳运行，步行速率0-7米/分。切割臂的延伸段为1.5～2.0米，可以对巷道的截面进行成形。从经济性上讲， EBZ型掘进机与钻爆法比较，其节省了大量的爆料和通风降尘费用，虽然前期的机械投资很高，但是从长远来看，它可以大大地降低每吨煤的掘进费用，并且还能大大提高掘进的速度，每月的进尺可以达到150—300米，从而大大地缩短了建设时间，提高了矿井的综合效益[1]。

（二）现代高效掘进技术

煤矿采矿工程巷道掘进的智能化是目前的发展方向——基于自主知识产权的新型钻井机械臂，该机械臂可以根据隧道的设计参数，根据隧道的实际情况，实现对钻进路径的自动规划，使钻井的工作效率达到3倍-5倍。遥控技术可以使作业者在50—100米以外的一个安全范围内进行作业，减少作业人员的危险性。掘进机的智能提升采用了精确到10毫米的激光制导技术，保证了掘进的精确方向。采用“数字孪生”方法建立隧道施工动态仿真模型，通过对多个传感器获取的实测信息进行动态修正，实现对巷道开挖轨迹的最优调整，促进了矿井无人化和智能化的发展。

在井巷工程中，支护的形式是多种多样的，每一种都有自己的选用准则。在高应力巷道中， U型钢支撑通常由18-29 kg/m U型钢轧制而成，其承载力强、收缩性能好，能够满足巷道围岩大变形要求。它是一种具有闭合或半闭合环形构造，能对多个方向上的岩石应力进行有效的抵御，适用于高地应力和高变形软岩巷道。其内部的砼一般为C20-C30，其厚度为200-400 mm，适合于对隧道稳定和防水要求较高的地区。在被动式支撑中，以悬挂效应和复合梁法为基础的锚固机制研究较多。如普通钢筋螺栓，其直径一般在18-22 mm，长2—3米，具有80 kN以上的锚固力，起到悬挂的效果；采用多个锚固件联合作用，将某一厚度地层组成复合梁，加强了岩体的整体稳定[2]。

二、煤矿采矿工程支护技术的应用

新的支撑材料和支撑工艺层出不穷。高强度预应力锚索（例如，其屈服强度大于600 MPa）能够提高初期预紧力，并能有效地抑制围岩的过早变形。对于破裂的岩石，采用弹性注浆技术是一种有效的方法。以聚氨酯为代表的化学泥浆，其渗透能力强，能穿透岩石内部的微细裂缝，固化后可达到10～20 MPa，能显著改善破裂岩石的完整性。通过对其进行表面处理，使其抗压强度提高20%～30%。以卡索为代表的可缩型可收缩支架，其特点是通过独特的锚拉构造，使围岩产生一定程度的变形，缓解局部低压力，并维持对围岩的持久承载能力，其收缩量通常为200-500 mm。在此基础上，利用现代科技方法进行了支撑设计和优选。利用FLAC3D和 ANSYS等有限元软件，对隧道内壁及支撑体进行了有限元分析，并对其进行了有限元分析。采用FLAC3D软件对不同类型的岩石进行数值仿真，对不同类型的岩石（包括：5-20 GPa、泊松比0.2-0.3、内聚力1-5 MPa、内摩擦角30°-45°）进行数值仿真，对不同类型的岩石进行应力测试，并对其进行合理的支护设计，比如，在地表移动速度大于5 mm/天的情况下，适时加大锚索用量或加大预紧力，保证隧道的长期稳定性[3]。

三、煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用案例

在一座地下800 m的深井中，所处的围岩为高应力软岩。该区地应力高至20-30 MPa，单轴抗压强度只有15-25 MPa，且结构面裂缝十分发育，结构面完整性较低，对其施工和支护提出了严峻的考验。针对该问题，提出了 TBM施工+预应力锚杆+灌浆补强的施工方法。选择适用于软弱地层的 TBM机型，刀盘最大转矩5000-6000 kN. m，3-5 m/h，利用高速回转式刀盘切割岩体，大大提高了掘进效率，与常规钻孔方法相比，提高了40%的掘进速率，每月掘进深度由100—150米提高到140—210米。在支撑上，预应力锚杆选用8—10米长的高强度钢丝绳，其预紧力为150-200 kN，其间距1.2—1.5米，排距1.5-1.8 m，能将不稳定岩石充分地悬挂起来，并能起到很好的支撑作用。本项目拟以水灰比例0.8：1-1：1、水玻璃含量35-40 Be’、模量2.4-3.0的水玻璃-水玻璃双桨体作为补强材料，对巷道进行注浆，使其渗入到围岩裂缝中，结合破裂岩石，生成0.5—1米的加固环，增强围岩的整体性能和承载性能。通过该方法的应用，使顶板和底板移动范围缩小至100-150 mm，两侧顶板移动80-120 mm，与没有加强之前相比减小60%～70%，大幅提高了巷道的稳定性，保证了深埋煤矿的安全、高效[4]。

结束语

智能化掘进机、快速支撑台车和锚网索耦合、高预应力主动支护、注浆加固的技术革新，煤矿采矿工程巷道掘进和支护技术的应用对于矿井的生产具有十分重要的意义，深入剖析技术的适用机理，归纳技术适配的原则，探索最佳的途径，促进我国煤炭产业的绿色、安全、高效发展。

参考文献

[1]平立芬， 王自荣， 葛中坤. 煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术的实践研究[J]. 内蒙古煤炭经济， 2025， （2）： 26-28.

[2]岑帅， 盛鹏. 煤矿采矿工程中巷道掘进支护技术的应用分析[J]. 内蒙古煤炭经济， 2024， （24）： 175-177.

[3]王冬冬， 陶彦名， 李刚， 杨占鑫. 煤矿采矿工程中巷道掘进和支护技术应用研究[J]. 内蒙古煤炭经济， 2024， （23）： 67-69.

[4]李骁龙. 煤炭采矿工程巷道掘进和支护技术的应用[J]. 矿业装备， 2024， （12）： 67-69.