鼎和煤礦三采區(qū)12層右面回采巷道安全控制設計前言研究背景雙鴨山煤田走向為東西，南側(cè)由于斷裂而保存下來的單斜構(gòu)造，東側(cè)由于斷裂而保存下來的煤盆地，地層走向受基盤控制，多為NE及NNE向，傾向S，一般傾角為10°～12°。本區(qū)地層發(fā)育不全，有遠古界麻山群，中生界上侏羅統(tǒng)雞西群及新生界第三系和第四系，其中以中生界地層最為發(fā)育，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，區(qū)域內(nèi)部有兩個正斷層，同一大斷層往往淺部落差大，深部落差小以至于尖滅。國內(nèi)外發(fā)展情況世界主要產(chǎn)煤國家，近些年來錨桿支護技術(shù)發(fā)展很快，繼幾乎全部使用錨桿支護的美國、澳大利亞之后，英國也迅速趕了上來，經(jīng)過幾年的發(fā)展，錨桿支護在煤礦占了主導地位英國自年從澳大利亞引進技術(shù)之后，目前，澳、英兩國正向國外積極推銷他們的錨桿支護技術(shù)，印度、印尼、波蘭、日本、南非等國都程度不同地予以引進，一向以型鋼可縮性支架支護技術(shù)著稱的德國，雖然采深大、地壓大，但近年來也在積極探索錨桿支護的可行性，這些事實表明，巷道錨桿支護技術(shù)已成為世界性發(fā)展趨勢，煤礦巷道支護技術(shù)經(jīng)歷了很多的發(fā)展，這些支護技術(shù)在應用過程中大都存在著一些問題，一些支護技術(shù)成本比較低廉，使用方便的支護技術(shù)如砌碴技術(shù)等，但是已經(jīng)不能適應現(xiàn)在煤礦發(fā)展的復雜現(xiàn)狀了，而一些比較先進的支護技術(shù)，操作起來比較復雜，需要考慮的問題比較多，對環(huán)境的要求比較高，使用不當支護作用也不理想，所以煤礦巷道支護技術(shù)還有很長的路要走，但是煤礦巷道的支護技術(shù)在隨著經(jīng)濟科技的發(fā)展，而不斷發(fā)展，也在不斷彌補著自身支護技術(shù)的不足，向著支護更加有效的方向發(fā)展，其中典型的支護技術(shù)是U型可伸縮性支架支護和錨桿支護技術(shù)的發(fā)展以及聯(lián)合支護技術(shù)的發(fā)展[1]。國外發(fā)展情況美、澳等國由于每層埋藏條件好，加之錨桿支護技術(shù)不斷地發(fā)展和日益成熟，因而錨桿支護使用很普遍，在煤礦巷道的支護比重中幾乎達到了100％，西歐、中歐一些主要產(chǎn)煤國家，過去巷道中主要采用金屬支架支護，隨著巷道維護日益困難和支護成本的增加，各國均在積極發(fā)展錨桿支護，錨桿支護發(fā)展最快的式英國，在1987年以前，英國煤礦巷道支護90％以上采用金屬支架，而且主要是礦工鋼拱形剛性支架，由于回采工作面單產(chǎn)低、效率低、巷道支護成本高，因而虧損嚴重，為了擺脫煤炭行業(yè)的這種困境，在巷道支護方面，積極發(fā)展錨桿支護，但也有過幾上幾下的經(jīng)歷，沒有取得很大的進展，到了1987年，英國從澳大利亞引進了成套的錨桿支護技術(shù)，從而牛莊了過去被動局面，煤巷錨桿支護得到迅猛發(fā)展，1997年在巷道支護中所占比重已達到80％以上[2]。結(jié)合本國巷道圍巖地質(zhì)及生產(chǎn)條件，發(fā)展適宜的錨桿類型，例如美國，使用樹脂錨固鋼筋錨桿、機械式錨桿、摩擦式錨桿、混合式錨桿等，此外桁架錨桿在煤礦中也有了較大發(fā)展，澳、英等國則以全長樹脂錨固金屬錨桿為主要發(fā)展方向，也使用一些縫管錨桿、樹脂可切割錨桿，德國除發(fā)展樹脂錨固金屬錨桿外，還大力發(fā)展可伸長錨桿，他們認為安裝錨桿的目的是為了控制圍巖的變形，但在圍巖劇烈變形的條件下又要能適應圍巖的變形，使錨桿本身不受到損壞，因此發(fā)展既有足夠的支護阻力又有一定延伸性的可伸長錨桿是必要的，現(xiàn)已研制出了若干種類型，延伸率最大的可達50%，俄羅斯煤巷錨桿支護亦是多種類型同時使用[3]。錨桿必然會向高強度發(fā)展，超高強度錨桿材料的屈服強度大于600Mpa，不論哪種材料，其延伸率均應大于15%-17%，國外三種類型的錨桿材質(zhì)均在使用而以高強、超高強的居多[4]。完善錨桿施工配套機具也是各國促進錨桿技術(shù)發(fā)展的重要原因，掘錨聯(lián)合機組的發(fā)展為巷道掘進和錨桿施工創(chuàng)造了極為有利的條件，奧鋼聯(lián)和喬伊公司的掘錨聯(lián)合機組應用較多，單體錨桿鉆機也有很大發(fā)展，主要是風洞錨桿鉆機，并配有使用方便、耐磨性好的鉆桿鉆頭以及快速安裝系統(tǒng)等[5]。國內(nèi)發(fā)展情況我國煤礦巷道支護經(jīng)歷了漫長的時間，錨桿（錨索）支護技術(shù)經(jīng)歷了從低強度、高強度到高預應力、強力支護的發(fā)展過程，現(xiàn)在，應用最廣泛，支護效果最好的是錨桿支護以及以錨桿支護為主的聯(lián)合支護[6]。錨桿支護是在邊坡、巖土HYPERLINK"/lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=7823498&ss_c=ssc.citiao.link"\t"/_blank"深基坑等地表工程及隧道、采場等HYPERLINK"/lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=69403025&ss_c=ssc.citiao.link"\t"/_blank"地下硐室施工中采用的一種加固支護方式，具有成本低、支護效果好、操作簡便、使用靈活、占用施工HYPERLINK"/lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=1669114&ss_c=ssc.citiao.link"\t"/_blank"凈空少等優(yōu)點[7]。在二十世紀九十年代初，我們國家使用錨桿支護的僅為很小的一部分，發(fā)展到現(xiàn)在礦區(qū)使用錨桿支護已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，我國煤礦已經(jīng)形成了有中國特色的煤巷錨桿支護成套體系，錨桿支護已經(jīng)成為煤礦巷道首選的、安全高效的主要支護方式[7]。它深刻的改變了礦井的開拓部署與巷道布置方式，對我國高產(chǎn)高效礦井建設、煤炭產(chǎn)量與效益的大幅度提高及安全狀況的改善起到不可替代的重要作用[8]。目前，錨桿（錨索）支護技術(shù)已在國內(nèi)外得到普遍應用，是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一[9]。設計主要內(nèi)容及技術(shù)路線本設計通過對鼎和煤礦三采區(qū)12-400十二層右面實際地質(zhì)及生產(chǎn)條件分析，提出回采巷道圍巖控制技術(shù)方案，其目的和意義為提高回采巷道圍巖穩(wěn)定性，保證該工作面安全高效生產(chǎn)，并且該設計能為現(xiàn)場提供類似條件下的回采巷道圍巖控制提供理論和技術(shù)參考[9]。

井田概況井田概況交通位置礦區(qū)附近有兩條鐵路，同時福利到寶清公路直穿礦區(qū)，新安礦至雙鴨山60km。地形地勢地表海拔標高為86.76m～150.21m，南側(cè)有自西向東流的七星河，最高洪水位為+86m～+92m。本區(qū)地形西高，東部低洼平緩，內(nèi)有三條人工渠在煤田東南部與七星河匯合。氣象及地震情況本區(qū)屬大陸性氣候，溫差較大，最低溫度達零下39℃，每年十一月到來年四月為結(jié)凍期，地表凍結(jié)深2m左右，夏季最高溫度為38℃，主導風向為西南風，最大風速34m/s。每年雨季集中在7～9月份，平均降雨量為452m～737mm。本區(qū)地震烈度為六級。水源和電源井田南部以礫砂為主的厚沖積層，含水層厚30m～60m，水量豐富，水質(zhì)良好，安全能滿足礦井用水和民用水的需要。建井初期用水量小，在附近砂層中建有兩個臨時性水源井。礦區(qū)的電源引自雙陽變電所和七星變電所，電壓6KV，可實現(xiàn)雙電路環(huán)形供電，線路全長約15km。地質(zhì)特征地質(zhì)構(gòu)造雙鴨山煤田走向為東西，南側(cè)由于斷裂而保存下來的單斜構(gòu)造，東側(cè)由于斷裂而保存下來的煤盆地，地層走向受基盤控制，多為NE及NNE向，傾向S，一般傾角為10°～12°。本區(qū)地層發(fā)育不全，有遠古界麻山群，中生界上侏羅統(tǒng)雞西群及新生界第三系和第四系，其中以中生界地層最為發(fā)育，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，區(qū)域內(nèi)部有兩個正斷層，同一大斷層往往淺部落差大，深部落差小以至于尖滅。該區(qū)地層走向近東西，東部轉(zhuǎn)為南北，傾向南，傾角10°～5°，該區(qū)煤層以結(jié)構(gòu)簡單之中厚煤層為主，一般由西向東可采煤層數(shù)增多，厚度增大，特別是中部含煤地段最為明顯，該區(qū)共有7層煤可采，煤層頂?shù)装逵刹煌６鹊纳皫r、粉砂巖組成，主要巖性為灰—灰白色中粗砂巖及灰—深灰色砂巖和少量泥炭層灰質(zhì)巖石。本區(qū)主要以中生帶伏中基性侵入巖活動為主，燕山期巖漿活動以輝綠巖順層面侵入的巖床為主，伴隨褶曲斷裂產(chǎn)生，侵入巖以巖墻、巖床、巖脈等產(chǎn)生，對煤層破壞最大的最是巖床產(chǎn)出的輝綠巖，其中8#、10#煤層西部產(chǎn)出的侵入體分布面廣，對煤層影響大。煤層狀況該區(qū)的西、北、東三側(cè)有煤層露頭出現(xiàn)，其氧化帶垂深為20m～40m。煤質(zhì)1）煤的主要物理性質(zhì)由于各煤層的煤巖級分之不平衡，呈現(xiàn)的煤巖類型也不同：10#、13#、16#煤層為半光亮型煤—半暗型煤，20#、21#下號煤層則以半暗型煤為主。煤磚光片反射不下觀察可知：煤的組成物質(zhì)以鏡質(zhì)組為主，為鏡煤化基質(zhì)體，呈淺灰色。絲質(zhì)組很少，為絲炭和半絲炭，木質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)保留完好。2）煤的主要化學性質(zhì)由于該區(qū)東西部的變質(zhì)因素的不同，及成煤條件的差異，影響了煤的化學組成。（1）碳氫含量：碳含量最高達到95%，最低為69.18%，氫含量為0.06～0.89%，它們呈現(xiàn)有規(guī)律的變化：IX勘探線西側(cè)屬接觸變質(zhì)，碳的含量高，氫的含量低，IX線以東為區(qū)域變質(zhì)，碳的含量低，氫的含量高，中東部由淺往深部反之。（2）揮發(fā)份：揮發(fā)分普遍較高，一般為30%～50.62%。IX勘探線以東，在橫向上由西往東揮發(fā)分略有增加，在縱向上自上而下略有減少，IX線西側(cè)，由于受火成巖影響，揮發(fā)分顯著下降，一般為3.95%～11.35%。（3）灰分：本區(qū)可采煤層的灰分，可分為中、高、低三種，而以中低灰分為主，一般為11%～30%，同一煤層的灰分除IX線西側(cè)8#、10#、10#下號煤層為中、高灰分而不穩(wěn)定外，其它各層煤均屬較穩(wěn)定之中低灰分，同時在IX線西側(cè)的8#、10#號煤層，也由于受侵入巖的影響及煤層本身結(jié)構(gòu)的復雜性，煤的灰分有增高現(xiàn)象。（4）發(fā)熱量：中低灰分、中低變質(zhì)煤發(fā)熱量為6094～8550k/g，但其可燃物的發(fā)熱量一般在前7365k/g以上。（5）硫：各可采煤層硫的含量甚低，SgQ為0.02%～1.06%，一般均小于0.51%。（6）磷：磷的含量不大，一般Pg為：0.001%～0.068%。水文地質(zhì)由西向東含水層逐漸增厚，含水量增大，總流向東北，七星河近代沖擊層含水區(qū)分布于七星河階地以東，主要由礫砂粘土組成，厚32.8m～60.7m，水位1.1m～1.6m，單位涌水量1.36L/s～4.38L/s，滲透系數(shù)為14.23m/d～14.62m/d，大型沖溝近代沖積層含水區(qū)呈條帶狀分布于七星河階地以西，寬200m～700m，由粘土組成，厚度19.8m～36m，為承壓水頭，七星河階地以西至Ⅱ勘探線以東，由粘土、礫砂、砂土組成厚約22m～56m，上覆6.7m～26.3m的粘土含水中等為承壓水。七星河與第四系孔隙水隨季節(jié)變化的不同相互補給，侏羅系與第四系有微弱的水力聯(lián)系，本區(qū)有2.1m～18.45m粘土覆蓋，東部煤層露頭外侏羅系上復粘土滅塵。第三系與第四系和第三系與失羅系有明顯的水力聯(lián)系。因此河水、第四系水將通過第三系補給予侏羅系成為井田充水主要因素之一。礦井最大涌水量為1022m3/h，正常涌水量700m3/h[10]。

采區(qū)回采巷道位置確定本章主要針對現(xiàn)場實際及開采技術(shù)條件。留寬大煤柱護巷留設煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護巷方法，傳統(tǒng)的留設煤柱護巷方法是在上區(qū)段運輸平巷和下區(qū)段回風平巷之間留設一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷避開固定支承壓力峰值區(qū)，區(qū)段平巷雙巷掘進和使用，技術(shù)管理簡單，對通風、運輸、排水、安全都有利。但是煤柱損失高達10%~30%，且回風巷受二次采動的影響，巷道維護困難，支護費用高，煤柱支承壓力向底板傳播，不僅影響鄰近煤層的開采和底板巷道的穩(wěn)定，還成為引發(fā)沖擊地壓的隱患[11]。見圖3.1。圖3.1寬大煤柱護巷沿空留巷沿采空區(qū)邊緣維護原回采巷道，為了回收傳統(tǒng)采礦方式中留設的保護煤柱，采用一定的技術(shù)手段將上一區(qū)段的順槽重新支護留給下一個區(qū)段使用，這種留巷的做法是沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷，沿空留巷可以最大限度回收資源，避免煤體損失[12]。沿空礦壓特點實際上礦壓的演化在采空區(qū)側(cè)煤體內(nèi)是一個隨時間和距離變化的函數(shù)，沿空巷道是處在采面后側(cè)，位于采礦區(qū)后側(cè)的煤體內(nèi)礦壓是空間和時間的函數(shù)，從縱向空間的觀察來看，工作面后側(cè)煤體順沿空巷道向后煤體中礦壓的變化是距離的函數(shù)，從以往的研究成果看，采面后側(cè)15-30米是礦壓急劇上升區(qū)域，從橫向觀察來看，采空區(qū)外側(cè)煤體礦壓分布是采空區(qū)外側(cè)煤體內(nèi)礦壓表現(xiàn)，沿空側(cè)煤體在采面剛過后的礦壓表現(xiàn)以時間的觀點來看，煤體中的每一點要經(jīng)受超前壓力、采動礦壓和采面過后又一次老空垮落礦壓[13]。沿空巷道礦壓分析作為沿空留巷的最為關(guān)鍵的是研究支撐隔離帶上部頂板的礦壓特征，以確定合理的支護形式和支護強度，研究留巷頂板的礦壓特征以確定合理的順槽初期支護方案和支護參數(shù)，沿空巷道頂部要經(jīng)受礦壓分布，掘進動壓，回采超前動壓外，更嚴重的是要經(jīng)受回采后側(cè)礦壓的又一次劇變動壓后保持穩(wěn)定性，一般順槽在經(jīng)受回采動壓后就遭到嚴重破壞，在采空區(qū)后側(cè)采空區(qū)垮落形成的劇烈礦壓過程中徹底崩潰形成垮落[14]。沿空掘巷沿傾斜方向支承壓力分布規(guī)律在堅硬的砂巖充當煤層頂?shù)装鍟r，支撐壓力在傾斜方向上會隨著工作面的推進而降低，而最值不會發(fā)生明顯移動，見圖3.2，由較軟的泥質(zhì)頁巖和破碎的砂質(zhì)頁巖作為煤層頂?shù)装鍟r，支撐壓力分布曲線會隨著工作面的推進向煤體深處轉(zhuǎn)移。見圖3.3沿空掘巷的礦壓顯現(xiàn)沿空掘巷之前，巖層運動已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)附近，處于極限平衡狀態(tài)下煤體的殘余支承壓力分布，見圖3-4中1，沿空掘巷破壞了原有平衡，在巷道邊緣的煤體會出現(xiàn)新的破裂區(qū)、塑性區(qū)，支承壓力向煤體深部移動，見圖3-4中2，移動距離近似等于巷道寬度，應力場擾動不大[14]。窄煤柱巷道是指巷道與采空區(qū)之間保留5到8m寬的煤柱，巷道掘進前，采空區(qū)附近沿傾斜方向煤體內(nèi)應力分布，見圖3.5中1與圖3.4中1完全一樣，窄煤柱巷道掘進位置一般剛好處于殘余的支承壓力峰值下，巷道掘進后窄煤柱遭到破壞而卸載，引起煤柱向巷道方向強烈移動，巷道另一側(cè)的煤體，由原來承受高壓的彈性區(qū)，衍變?yōu)槠屏褏^(qū)、塑性區(qū)[14]；隨著支承壓力向煤體深處轉(zhuǎn)移，煤體也向巷道方向顯著位移，最終應力分布狀態(tài)[14]。見圖3.5中2所示。圖3.4沿空掘巷引起煤幫應力重新分布1-掘巷前的應力分布2-掘巷后的應力分布Ⅰ-破裂區(qū)Ⅱ-塑性區(qū)Ⅲ-彈性區(qū)應力增高部分Ⅳ-原巖應力區(qū)圖3.5窄煤柱引起煤幫應力重新分布1-掘巷前的應力分布2-掘巷后的應力分布Ⅰ-破裂區(qū)Ⅱ-塑性區(qū)Ⅲ-彈性區(qū)應力增高部分Ⅳ-原巖應力區(qū)沿空掘巷的三種方式沿空掘巷可分為三種方式，即完全沿空掘巷、留小煤柱掘巷、保留部分老巷斷面掘巷方式[15]。完全沿空掘巷就是上區(qū)段采動影響穩(wěn)定后，緊貼上區(qū)段廢棄的巷道，在煤層邊緣的煤體內(nèi)重新掘進一條巷道，完全沿采空區(qū)邊緣或僅留很窄煤柱掘進巷道具體說，就是把巷道布置在位于靠煤柱一側(cè)的低應力場，便于巷道維護，減少變形量[15]。見圖3.6。留小煤柱沿空掘巷方式的特點是上區(qū)段采動影響穩(wěn)定后，巷道不緊貼上區(qū)段采空區(qū)邊緣掘進，而是在巷道與采空區(qū)之間留設1到3m的隔離小煤墻，小煤墻很難隔離火區(qū)，防止漏風和隔絕采空區(qū)有害氣體滲漏[16]。見圖3.7圖3.6完全沿空掘巷L2-滯后掘進距離圖3.7留小煤墻沿空掘巷L2-滯后掘進距離煤柱寬度確定原巖體內(nèi)擁進巷道引起的圍巖應力未經(jīng)采動的巖體，巖體的原始垂直應力P等于上部覆蓋巖層的重量γH，巷道開掘后原巖應力重新分布，在巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應力集中，如果圍巖應力小于巖體強度，圍巖仍處于彈性狀態(tài)，雙向等壓原巖應力場內(nèi)圓形巷道圍巖應力分布[17]。見圖3.8。圖3.8圓形巷道圍巖彈性變形應力分布如果圍巖應力大于巖體強度，巷道圍巖會產(chǎn)生塑性變形，從巷道周邊向圍巖深處擴展到一定范圍，出現(xiàn)塑性變形區(qū)，運用極限平衡理論，巷道圍巖應力分布，在塑性區(qū)內(nèi)圈圍巖強度明顯削弱，低于原始應力γH，圍巖發(fā)生破裂和位移稱為破裂區(qū)，當圍巖應力達到其極限強度后，圍巖強度并沒有完全喪失，而是隨著變形的增加逐漸降低，直至降到殘余強度為止，巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層原巖應力心反映巖石強度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角P和黏聚力C等[18]。見圖3.9所示。圖3.9圓形巷道圍巖塑性變形區(qū)及應力分布相鄰巷道的應力分布及巷道間距的確定1）巷道圍巖應力影響帶巷道開掘以后，巷道圍巖應力受擾亂的區(qū)域稱為影響帶，一般以超過原巖應力值的5%作為影響帶的邊界，巷道的應力影響區(qū)域形狀為半徑等于6r的圓（r為巷道斷面半徑），在非靜水壓應力場中，巷道的應力影響區(qū)域形狀不再是圓形，一般為長軸不大于12r的橢圓[18]。因此，斷面相同兩圓形巷道的間距D為 （3-1）半徑不同兩圓形巷道的間距D為 （3-2）式中，如果圍巖局部的應力超過巖體強度，巷道就會向周邊巖體深部擴展到一定范圍形成塑性變形區(qū)，而在塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處圍巖應力集中，容易形成災害[18]。由上述公式，巷道間距一般為10~30m，根據(jù)鼎和煤礦三采區(qū)12層-400十二層右片區(qū)段巷道地質(zhì)條件，煤柱寬度設為27m，這樣相鄰巷道的應力影響帶就不會超過巷道塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)的交界，符合安全生產(chǎn)條件。_x000F_4采區(qū)巷道施工方式確定巷道掘進施工方式有兩種，綜掘掘進和炮掘掘進，兩種方式都有各自的特點和優(yōu)劣，下面將對這兩種掘進方式進行對比分析，并根據(jù)鼎和煤礦三采區(qū)12-400右片回采巷道的情況選擇合適方案。巷道斷面設計斷面形狀對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響巷道斷面形狀有多種，例如矩形、梯形、拱形、圓形等等，但大體上可以分為折線形與曲線形兩種[19]，詳細情況如下圖3.10所示。圖3.10巷道斷面形狀矩形；（b）梯形；（c）半梯形；（d）半圓拱形；（e）圓弧拱形；（f）三心拱形；（g）封閉拱形；（h）橢圓形；（i）圓形巷道圍巖的穩(wěn)定性取決于多種因素，其中斷面形狀對圍巖的穩(wěn)定性有重要影響，曲線形斷面比折線形斷面圍巖中的拉應力小，穩(wěn)定性更好，因此在圍巖比較松軟破碎、強度較低時多用曲線形斷面，在圍巖強度較高時使用折線形斷面較多，雖然圍巖中拉應力較大，但圍巖強度也高，沒有超過圍巖的抗拉強度，因而圍巖仍是穩(wěn)定的[19]。在曲線形斷面中還存在一個合理拱軸線的問題，即在一定圍巖應力分布下，巷道周邊不出現(xiàn)拉應力而只存在等壓應力。圓形巷道斷面的圍巖壓力若均勻分布，則周邊應力將出現(xiàn)等壓情況，這是的圍巖巷道最為穩(wěn)定。圍巖強度較低的巷道采用拱形斷面而不用梯形斷面就是因為前者周邊拉應力較后者小的緣故。國內(nèi)研究表明，拋物線形的巷道周邊拉應力最小，但因施工困難，未能實際應用。巷道斷面形狀與巷道用途和服務年限的關(guān)系在滿足生產(chǎn)需要的前提下可以選擇不同形狀的巷道斷面，但這些不同的斷面巷道的掘進、支護與維護費用、施工的難易、斷面利用率的高低等卻很不相同，從保持巷道圍巖的穩(wěn)定性考慮，其優(yōu)劣順序依次為圓形、馬蹄形、拱形、梯形，從巷道斷面利用率考慮，從高到低依次為梯形、矩形、馬蹄形、圓形，從巷道施工難易考慮，如果用鉆爆法掘進，從易到難依次為梯形、拱形、馬蹄形、圓形，如用掘進機掘進，圓形巷道是比較方便的[20]。服務年限越長，對生產(chǎn)越重要的巷道越需要提高工程質(zhì)量，以保證生產(chǎn)過程中長期正常使用，成本高一些也是允許的。對于服務年限短的巷道，則成本應當?shù)鸵恍?，掘進施工力求簡單，支架架設和回收應比較方便。綜合以上所述，選擇巷道斷面形狀的原則是在保證巷道整個服務期間安全、正常使用的基礎(chǔ)上，力求提高巷道斷面利用率，速效斷面尺寸，降低成本，有利于加快施工速度，所以根據(jù)本礦的實際情況選用梯形斷面。巷道斷面確定直墻拱形和矩形巷道的凈寬度，系指巷道兩側(cè)內(nèi)壁或錨桿露出長度終端之間的水平距離，對于梯形巷道，當其內(nèi)通行礦車、電機車時，凈寬度系指車輛頂面水平的巷道寬度，當其內(nèi)不通行運輸設備時，凈寬度系指從底板起1.6m水平的巷道寬度，矩形、梯形巷道的凈高度系指自道渣面或底板至頂梁或頂部噴層面、錨桿露出長度終端的高度，拱形巷道的凈高度是指自道渣面至拱頂內(nèi)沿或錨桿露出長度終端的高度[21]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，主要運輸巷道和主要風道的凈高，自軌面起不得低于1.9m，架線電機車運輸巷道的凈高，必須符合有關(guān)規(guī)定：電機車架空線的懸掛高度，自軌面算起在行人的巷道內(nèi)、車場內(nèi)以及人行道同運輸巷道交叉的地方不得小于2m；在不行人的巷道內(nèi)不得小于1.8m；在井底車場內(nèi)，從井底到乘車場其高度不得小于2.2m。電機車架空線和巷道頂或棚梁之間的距離不得小于0.2m。采區(qū)（盤區(qū)）內(nèi)的上山、下山和平巷的凈高不得低于1.8m[22]?；夭上锏溃瑪嗝嬖O計為斜頂、立幫、平底倒梯形斷面，具體參數(shù)為：寬3.7m，矮幫2.4m，傾角α19°。巷道掘進方式對比分析及確定機械掘進采用機械破巖的掘進方式為機械掘進，由于煤層硬度較小，煤巷掘進機多采用滾筒破煤。其配套的支護方式主要是錨桿支護。目前，國內(nèi)外廣泛使用的煤巷掘進機主要有三種，同時以這三種掘進機分類，出現(xiàn)了三種不同的掘進工藝：（1）普通綜掘機組掘進普通綜掘機組掘進工作面的主要設備是懸臂式綜掘機，配套設施包括后配套轉(zhuǎn)運設備和單體錨桿鉆機，常用于單巷掘進，掘進機和錨桿機在同一工作面交替作業(yè)，該工藝主要缺點是掘進速度慢，其主要原因是掘、支交叉作業(yè)，支護占用時間較長。（2）連續(xù)采煤機掘進連續(xù)采煤機及其配套裝備最初主要用于房柱法采煤，但因為它在多巷掘進中有非常突出的優(yōu)勢而被大量用于巷道掘進。近年來，我國越來越多的礦井將其作為長壁綜采裝備的配套裝備，用來掘進多巷布置的大巷、盤區(qū)準備巷道、工作面回采巷道等煤層巷道，不僅大大提高了掘進速度，縮短了建井工期，解決了采掘接續(xù)問題，而且使大斷面、多通道的巷道系統(tǒng)布置得以實現(xiàn)，從根本上改變了礦井生產(chǎn)和安全面貌，為安全、高效生產(chǎn)提供了保障。（3）掘錨一體機組掘進將錨桿鉆機和橫軸滾筒一體機具體有截割、裝載與轉(zhuǎn)載、打眼及安裝錨桿的功能。與其后配套運輸設備儀器組成破、裝、運、支的連續(xù)作業(yè)線。掘錨一體機比連續(xù)采煤機適應范圍廣，用于單巷掘進的功效是普通綜掘機組的3~5倍，因此近年來，在我國應用發(fā)展的很快。目前國內(nèi)使用的掘錨一體機主要依靠進口，晉城煤業(yè)集團合和神華集團等引進了山德維克公司生產(chǎn)的ABM20型掘錨一體機，應用取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。爆破掘進爆破掘進適應性強，可用于各種施工條件的巷道，因此在我國煤礦一直被廣泛采用，在長期應用中，爆破掘進在鑿巖、爆破、裝載和運輸?shù)脑O備，施工技術(shù)以及施工組織管理等方面得到了全面發(fā)展。三采區(qū)12層-400右片區(qū)段掘進方式確定而相對于機掘掘進，爆破掘進是最傳統(tǒng)最基本的巷道掘進方法。這種方法對巷道工程條件和施工條件的適應性強，勞動條件好、強度小。在我國很多地方被廣泛采用，因此，其技術(shù)相對成熟，施工組織管理比較完善，裝備機械化程度也比較高。鼎和煤礦所使用的也一直是爆破掘進的方式，工藝成熟，因此本設計基于該礦的實際條件選用爆破掘進方式。爆破方法按爆破技術(shù)可以分成四種爆破方法：定向爆破、預裂、光面爆破、微差爆破和其他特殊條件下的爆破技術(shù)[23]。在炮眼中裝填引藥時，必須注意引藥的位置和方向，引藥位置和傳爆方向是影響爆破效果和爆破安全的重要因素[23]。試驗表明，反向裝藥與正向裝藥相比，能夠提高炮眼利用率，加強巖石破碎，減小大塊率。因為本設計欲使爆破后的圍巖形狀規(guī)整，巷道表面光滑，故采用反向裝藥光面爆破方式進行爆破。

巷道支護方式以及參數(shù)設計常用的支護結(jié)構(gòu)分類方案有很多種，但最簡明的是按支護結(jié)構(gòu)與圍巖的關(guān)系分類，按此方案支護結(jié)構(gòu)分為三類：棚子支護，錨桿支護，聯(lián)合支護。下面將對這三種類型的支護分別介紹，并提出幾種支護方案，最后根據(jù)鼎和煤礦三采區(qū)12層-400十二層右片具體地質(zhì)情況，選擇最優(yōu)方案進行設計。棚子支護棚子是作用在巷道圍巖表面的一種支架，有三類：第一類是主要由梁和柱組成的支架，按材料分為木棚子（木支架）、金屬棚子（金屬支架）、鋼筋混凝土預制件棚子（鋼筋混凝土支架）等，主要作用于服務年限不長的采取巷道；第二類是由混凝土澆筑或用塊體砌筑而成的整體支架，按材料和施工方式分為混凝土澆筑、鋼筋混凝土澆筑、料石砌筑、磚砌筑、混凝土預制塊砌筑等多種形式，主要用于服務年限較長的開拓巷道，適宜于圓弧形（拱形或圓形）斷面；第三類是噴射混凝土支架，由噴射混凝土層組成，可用于各類巷道。木支架巷道支護中常用的木支架多為梯形斷面，主要由承受頂壓的頂梁和支撐梁并承受側(cè)壓的棚腿組成，目前木支架主要用于地壓小，斷面小的采區(qū)巷道。金屬支架可縮性金屬支架一般有U型鋼加工而成，為拱形斷面，，但由于支架工作特性很難控制，在支架收縮過程中產(chǎn)出的非切向力很容易拉斷，使支架產(chǎn)生不規(guī)則變形，進而影響其受力和進一步的收縮。金屬支架施工要求與支架相同。鋼筋混凝土預制件支架鋼筋混凝土預制支架是由預制的鋼筋混凝土梁和柱組成的一種剛性支架，分普通型和預應力型兩種，鋼筋混凝土支架適用于地壓穩(wěn)定、服務年限較長的巷道，在動壓較大的采區(qū)巷道內(nèi)不宜使用。澆（砌）筑的整體支架在垂直巷道中宜采用圓形，澆筑的整體支架具有較好的抗壓性能，而抗拉和抗剪能力較弱，將其做成圓弧結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮其承壓性能，避免在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較大的拉應力和剪應力，來自頂板的壓力，通過拱沿切線傳遞到拱基處，在拱基處分解為豎向壓力p和水平推力p，豎向壓力p通過墻傳遞至基礎(chǔ)，由基礎(chǔ)承擔，水平推力p需要由巖壁支撐，因此要求壁后必須充填，而且在拱基處一定要充填牢固，否則拱基的移動將導致拱部受拉而裂開。聯(lián)合支護聯(lián)合支護是以兩種以上支護方式（或支護材料）有機結(jié)合形成的一種支護結(jié)構(gòu)，在充分利用各單一支護的優(yōu)勢和特點的基礎(chǔ)上能顯著提高結(jié)構(gòu)的整體承載和抗變形能力，從而對控制復雜圍巖和低壓具有顯著效果[24]。下面介紹幾種常用的聯(lián)合支護方式，見表4-1。表4-1常用的聯(lián)合指支護方式常用的聯(lián)合支護方式特點錨桿錨索聯(lián)合支護錨索既有加固圍巖的作用，也有懸吊下部松動巖石的作用，但錨索可以錨固在圍巖穩(wěn)定巖層中，靠其和錨桿群的成拱作用控制圍巖變形，提高威嚴的承載能力錨網(wǎng)支護錨網(wǎng)支護是用錨桿將鐵絲網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)、塑料網(wǎng)等）固定在巖壁上所形成的一種聯(lián)合支護方式，網(wǎng)的主要作用是維護錨桿間的圍巖以防止小塊松散巖塊掉落，另外由錨桿固定和拉緊的網(wǎng)將相鄰錨桿聯(lián)結(jié)起來，可增強支護結(jié)構(gòu)的整體性錨噴支護錨桿支護和噴射混凝土支護相結(jié)合即為錨噴聯(lián)合支護，錨桿的作用在于從整體上加固或承載圍巖，噴射混凝土的作用則在于封閉圍巖表面防止圍巖風化剝落，以及與圍巖緊密結(jié)合對錨桿間的未加固區(qū)域起支護作用錨網(wǎng)梁支護在錨網(wǎng)支護的基礎(chǔ)上增加噴射混凝土層即為錨網(wǎng)噴支護，網(wǎng)被噴射混凝土包裹在其中形成類似鋼筋混凝土層，大大提高了噴層的抗拉性能和網(wǎng)的剛性三種支護方式對比分析三種支護方式都有各自的特點，下表5-4詳細介紹了它們各自的特點。表4-2支護方式對比支護方式特點棚子支護棚子支護的優(yōu)點是架設簡單，有一定強度，對地質(zhì)條件變化有較強的適應能力，相對于這些優(yōu)點，棚子支護的方法存在諸多問題，由于木棚的彈性變形大，在自重力的作用下，木棚變形造成頂板下沉，非彈性變形區(qū)增大，變形地壓和松動地壓增大，這個壓力往往大于棚子的棚梁的抗剪能力，從而造成棚子壓垮和頂板冒落錨桿支護錨桿支護避免了棚子支護的缺點，避免了破碎圍巖和空氣接觸所造成的風化，同時，把項板圍巖凝結(jié)加固成一個整體，不會因自重應力引起的頂板下沉造成碎石松動脫落而產(chǎn)生冒項，不對圍巖發(fā)生應變時施加外力支護，而是把破碎的圍巖加固結(jié)合成一個整體對抗非彈性區(qū)的應力，錨桿支護破碎圍巖巷道的效果好于架棚子支護聯(lián)合支護聯(lián)合支護是多種支護方式有機結(jié)合形成的一種支護結(jié)構(gòu)，當圍巖、地壓條件復雜，單純的一種支護方式無法滿足支護要求時，就會采用聯(lián)合支護的方式提出并確定支護方案棚子支護相對落后，詬病很多，本次設計放棄這種支護方式。根據(jù)鼎和煤礦三采區(qū)段12-400十二層右片工作面現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)條件，首先提出以下五種支護方案，見表5-5。表4-3三采區(qū)12-400右片工作面支護方案支護方案方案特點方案一：錨桿支護在本方案中，錨桿是這種支護方式的主體，錨桿主要由桿體、錨固部分和外端承載裝置組成，錨桿的作用是通過改變圍巖的受力狀態(tài)以及圍巖深部巖層之間的力學關(guān)系等達到支護目的的一種方式方案二：錨桿＋錨索本方案是在錨桿支護的基礎(chǔ)上增加了錨索，形成錨桿錨索聯(lián)合支護，錨索也屬于錨桿的一種，預應力錨索是把錨索固入巖層深部并進行預應力的施工技術(shù)，是一種傳遞主體結(jié)構(gòu)的支護應力至深部穩(wěn)定巖層的主動支護方式，方案三：錨桿＋鋼帶＋錨索本方案是在方案二的基礎(chǔ)上加上了鋼帶，通過鋼帶的作用將錨桿更加牢靠的固定在巖層上，如果說網(wǎng)的作用是固定頂板防止小塊巖塊的散落，則鋼帶的作用是更加牢靠的固定錨桿方案四：錨桿＋網(wǎng)＋錨索＋鋼帶本方案是在方案三的基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)，這種支護方式是用錨桿將鐵絲網(wǎng)或者鋼筋網(wǎng)塑料網(wǎng)等固定在巖壁上，網(wǎng)的主要作用是維護錨桿間的圍巖防止小塊松散巖塊掉落，并且可以增強支護結(jié)構(gòu)的整體性能，對于頂板較碎的巷道有很好的作用方案五：錨網(wǎng)索帶＋U型棚本方案是在方案四的基礎(chǔ)上又增加了U型鋼支架支護，這種支架適用于受采動較大的巷道，主要作用是承受頂壓的頂梁和支撐頂梁并承受側(cè)壓方案對比分析：方案一是單一的錨桿支護，只解決了點的問題，線和面沒有沒有解決，支護效果比較差；方案二在方案一的基礎(chǔ)上加了錨索，在一定程度上加強了支護效果，但依然沒有解決線和面的問題；方案三：在方案二的增加了鋼帶，進一步增強了支護效果，解決了線的問題，但依舊無法解決面的問題，對于頂板碎石掉落無法預防。方案四總的來說比較全面，增加了網(wǎng)，比較好的解決了點線面的問題；方案五增加了U型棚，這種方案在頂板破碎嚴重，沖擊地壓大的工作面比較適用。通過上面對各類方案的介紹分析，再結(jié)合本礦和設計區(qū)段的實際情況和技術(shù)，本次設計最后選擇：錨桿＋網(wǎng)＋錨索＋鋼帶支護方案。

巷道安全技術(shù)措施沖擊地壓的預防和控制沖擊地壓的預防沖擊地壓是煤礦不可忽視的一個危害，預防沖擊地壓和預測沖擊地壓是防治此類危害的重要工作內(nèi)容，避免沖擊危害和采取防范措施是煤礦工作很重要的一部分[25]。針對三采區(qū)段12-400右片工作面的沖擊地壓的特點，提出以下幾點預防方法，見表5-1。表5-1三采區(qū)12層-400右片工作面沖擊地壓預防方法預防方法方法特點經(jīng)驗類比法經(jīng)驗類比法是預測采區(qū)或工作面沖擊危險程度和區(qū)域的常用方法，工作面開采或巷道掘進前，利用經(jīng)驗類比法對工作面進行沖擊危險程度劃分，采空區(qū)邊緣、斷層附近、煤柱區(qū)等均為沖擊危險程度相對較高的部位，應優(yōu)先進行防沖治理煤粉監(jiān)測法煤粉監(jiān)測是操作方便、效果明顯的一種沖擊危險監(jiān)測措施，監(jiān)測方法：使用MSZ12電煤鉆、Φ42套節(jié)麻花釬子配Φ42鉆頭打眼，從孔口開始每米收集1次煤粉，并用彈簧秤稱其重量記錄在記錄表上，每打完1個孔，必須立即將結(jié)果填入記錄表，當監(jiān)測煤粉量超過危險煤粉量時，預報有沖擊危險電磁輻射監(jiān)測法電磁輻射監(jiān)測是近幾年由中國礦業(yè)大學發(fā)展研究的一種新型沖擊危險監(jiān)測方法，利用KBD5型流動電磁輻射儀和KBD7電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進行電磁輻射監(jiān)測，操作簡便，實用性較強續(xù)表5-1三采區(qū)12層-400右片工作面沖擊地壓預防方法工作面礦壓監(jiān)測法每班對上、下平巷超前支柱進行阻力監(jiān)測，找出工作面超前支承壓力影響范圍及應力集中系數(shù)，確定超前支護距離及方式，根據(jù)阻力大小預報工作面頂板來壓及應力集中區(qū)域，在工作面中部布置2個測區(qū)，測區(qū)間距20m，每個測區(qū)包括2個支架，重點對工作面支架阻力進行循環(huán)監(jiān)測微震監(jiān)測法利用短周期地震儀監(jiān)測記錄0.5級以上沖擊發(fā)生的次數(shù)及沖擊地壓釋放的能量。利用此趨勢預測預報近期沖擊地壓發(fā)生的趨勢及應力釋放情況。在定位系統(tǒng)建成之前，采用現(xiàn)在的地震儀現(xiàn)行監(jiān)測鉆孔應力計監(jiān)測法在工作面上、下平巷超前100m均勻埋設鉆孔應力計，對巷道煤體應力變化情況進行監(jiān)測，鉆孔應力計設在上平巷下幫、下平巷上幫，孔口距底板0.5m，沿煤層傾角布置，孔距20m，孔深10m，每小班監(jiān)測2次沖擊地壓的控制針對三采區(qū)十二層右片工作面的沖擊地壓的特點，提出以下幾點控制方法，見表5-2。表5-2三采區(qū)12層-400右片工作面沖擊地壓控制方法控制方法方法特點加強超前支護先清除底板浮煤并將其鋪設平整，然后清除回采巷道上幫誘導爆破漲裂煤體及位移鼓出煤幫和擠壓單體支柱的煤塊（體），最后將工作面前方40~100m范圍內(nèi)的超前支柱補齊打?qū)崳伒琢?，單體支柱需帶帽對上巷（工作面回風巷）煤體進行松動爆破卸壓為防止沖擊地壓來臨時上巷煤體中應變能突然、急劇釋放，在加固了煤體后，決定在上幫距頂板1.0m處實行松動爆破，在4.0m高的上幫煤體的3.0m以上進行松動爆破卸壓防止出現(xiàn)殘留煤柱因為殘留煤柱是應力集中的地方，在這種情況下，巷道布置不宜過密，否則煤柱壓力會同逐漸接近的回采工作面漸趨增加的回采壓力匯集在一起而發(fā)生沖擊地壓減慢工作面推進速度在有沖擊地壓的煤層中，減慢工作面推進速度有利于降低煤體的動壓力，防止沖擊地壓的產(chǎn)生避免在具有沖擊地壓危險的巷道長時間逗留在沖擊地壓危險的地點，在某一時間內(nèi)，應遠距離控制和操縱采掘機械，甚至臨時撤離人員，對于沖擊礦壓危險的巷道，應把人員通過和停留的時間減到最小限度其他安全措施初次放頂措施通過以往初放頂?shù)某晒?jīng)驗和本回采工作面的實際情況，預計初次垮落步距9-15米，周期來壓步距5米，為了保證初次放頂及周期來壓的安全，制定初次放頂措施：1．在工作面回采前，首先在工作面上、下巷內(nèi)打設超前支護，打設長度距工作面硬邦煤壁不小于20米。2．超前工及當班段長必須及時檢查上.下巷支護，對頂板破碎或離層，立即進行維護，其維護采用單體配鉸接頂梁及板梁打設棚子，一粱兩柱走向棚子，棚距1.0米，冒頂處用木料剎嚴。3.當工作面走向推進15米時，如果軟邦頂板不冒落，要求在軟邦第一排支柱，沿傾斜方向打設間距20米，走向20米一排的信號頂子至初次放頂結(jié)束。并且在溜子軟幫側(cè)第三排柱間加打?qū)χ?.打設木垛時，必須接頂接底，嚴禁打在浮煤上，并且用木楔打緊打牢，要求打成“井”型，打設木垛時執(zhí)行先打后撤原則。5.工作面初次放頂期間，每班必須由值班班長負責觀察頂板活動情況，若發(fā)現(xiàn)頂板有來壓征兆（如信號頂子折斷，支柱緩慢下沉，單體筏噴水，煤壁片邦嚴重）必須立即通知工作面作業(yè)人員迅速撤出工作面，到上下巷超前支護以外安全地點，待壓力過后再組織人員重新進入工作面作業(yè)。6.工作面初次放頂期間，每班必須有一名段干部跟班現(xiàn)場監(jiān)督檢查工程質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)工作面存在不安全隱患，立即停止作業(yè)，先處理隱患后作業(yè)。鼎和煤礦三采區(qū)層-右片區(qū)段礦壓監(jiān)測支護設計完成之后需要進行礦壓監(jiān)測方案的設計，了解巷道圍巖支護的實際效果，了解巷道圍巖應力的變化程度和是否能夠提供安全所需的支護效果。實時監(jiān)測錨桿的受力情況，以便更好的提供安全保障同時可以驗證錨桿支護設計的合理性。監(jiān)測儀器巷道表面位移的監(jiān)測需要用到的監(jiān)測儀器，有測槍、鋼卷尺及收斂計等，測監(jiān)測頂板離層常用的儀器之一是采用頂板離層指示儀。目前該指示儀有多家廠家生產(chǎn)，如煤炭科學研究總院的LBY.3型、LBY.1型，常州常武安全儀器廠生產(chǎn)的LBY一型、WBY.10型、wwJ.3型、DLY型等。本次設計選用LBY.1型頂板離層指示儀，帶有離層超限聲光報警功能。錨桿（索）拉拔儀，用來監(jiān)測錨桿受力[26]。監(jiān)測方式巷道表面位移監(jiān)測用十字布點法來監(jiān)測巷道表面位移。如下圖5.1。每天測取一次讀數(shù)，測取AO、AB和CO、CD值[26]。布置在距采掘工作面50m內(nèi)。圖5.1十字布點法巷道頂板離層監(jiān)測巷道每隔30m安設一個頂板指示儀，在距掘進頭50m內(nèi)，觀測離層值。50m以外，觀測頻度與表面位移相同，頂板指示儀每30米一個，每天讀取一次測量值，每周需要觀測一次[26]。頂板離層指示儀的數(shù)量見下表5-3。表5-3頂板離層指示儀安設數(shù)量圍巖類型巷道寬度備注≤＞