1、 锚网支护巷道顶板事故类型分析摘要：锚网支护是一种主动支护形式，具有加固围岩、提高支撑能力的特点，这种支护形式效果好、成本低，有利于生产矿井实现高产高效。但巷道遇到顶板煤层松软、顶板含有软弱夹层、地质构造、地应力等影响时若锚网支护采取不当，容易发生冒顶事故，影响安全生产。关键词：锚网支护，作用机理，顶板事故0 引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国
2、家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000k了，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上，而缓倾斜厚煤层煤炭产量又占我国总产量的40%以上，我国很多矿区赋存有3. 56. 0m厚的煤层，这类煤层在邢台、开滦、徐州、充州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，建设高产高效矿井，提高企业经济效益己成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。顶板事故是指在地下采煤过程
3、中，因为顶板意外冒落造成的人员伤亡、设备损害、生产中止等事故。我国矿山顶板灾害事故频发，事故死亡人数居高不下，是矿山重大灾害之一。顶板灾害和瓦斯灾害一样是煤炭开采中发生次数最多、影响面最广、死亡人数最多和危害程度最大的主要灾害。据统计，近十年来由顶板灾害引起的死亡人数占矿山总死亡人数的 32.9。从2002年至2006年，顶板灾害年均发生次数1989.5次，死亡人数2236.6人，占总死亡人数的37.7。锚网支护是我国巷道支护一大跨越，给煤矿巷道支护改革带来生机，但在支护理论设计方面还存在漏洞，还没有形成完整的设计依据，多数是根据各地区条件差异，采用工程类比法进行支护形式和支护参数的调整。随着
4、采矿技术的不断发展，煤矿锚网支护技术突飞猛进。无论是从有效利用巷道断面，减少掘进和减少支护材料运输量以及节约支护材料而言，都具有架棚支护无可比拟的优越性。近两年来随着矿井生产能力不断提高，要求巷道断面越来越大，这一点架棚支护很难实施，因此，锚网支护已成为主要支护形式。锚网支护是一种有效的矿井巷道支护方式, 由于对围岩强度的强化作用, 可显著提高围岩的稳定性, 加之具有支护成本低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面利用率、简化回采面的端头维护工艺, 明显改善作业环境和安全生产条件, 成为矿井巷道的主要支护形式,代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。自191年,德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下
5、巷道以来,锚杆支护以其结构简单,施工方便、成本低和对工程适应性强等特点,在采矿工程中得到了广泛应用。我国煤矿开采中,每年新掘的锚网支护的井巷工程长达2000 km。使用锚网支护，既可发挥其加固拱作用和悬吊作用，使复合顶板内的各煤岩体与锚杆紧固成一个所谓的“组合梁”，从而提高顶板岩层的抗弯强度，减少各岩层层面滑移、离层和冒落的机率，从而保证巷道的稳定性。同时也减轻了操作人员的体力劳动，消除了棚式支护所带来的操作不安全隐患，改善了操作人员的劳动环境。架棚和料石砌碹等被动支护方式成本高、进度慢、消耗体力大、支护效果差正逐渐被淘汰。锚网支护在稳定围岩中,可节省工程成本10%20%左右,在不稳定围岩中可
6、降低成本30%以上,施工速度也得到很大的提高，在煤矿巷道支护中占主导地位,是唯一能实现安全、快速、经济的一种支护形式。我国统配煤矿巷道顶板事故死亡人数约占全部顶板事故死亡人数的20 ： 因此，分析巷道顶板事故的原因，寻求其预防措施， 从而减少固巷道顶板事故导致的人员死亡，是一项非常重受的工作巷道顶板事故多发生在掘进迎头、巷道交叉口贯通地点。根据1987年 1988年和1989年全国顶板管理ll1 作会议所提供的16个案例统计，其中l4个案例的顶板事故发生在掘进迎头和巷道交叉口， 占88；其死亡人数也占88 可见， 为了防止发生巷道顶板事故，把注意力集中在事故多发地点是十分必要的。与此同时，根据
7、冒顶事故真正原因， 以研究具有针对性预防措施为目的，对顶板事故按力学原因进行分类， 同样是十分必要的。近年来， 随着高档普采和综采的逐步发展， 回采工作面顶板事故防治技术和装备的逐步提高， 回采工作面顶板事故逐步下降， 而巷道顶板事故相对逐步上升。以开滦煤矿为例，1980年以前，巷遭顶板死亡事故约占顶板死亡事故的2O3O 。1980年以来， 虽然巷道顶板死亡的绝对人数逐年下降，但相对百分数1980年1984年平均上升到35左右，1985年以来平均上升到4050 。为此， 探讨巷道顶板事故的分类，进行各类原因分析，并研究相应的防治措施， 减少巷道顶板事故，已成为当务之急。1国内外锚杆支护的发展现
8、状1.1锚网支护技术现状1.1.1 国外现状由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其它地下工程支护的一种主要形式。早在20世纪40年代，美国、前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其他地下工程中迅速得到了发展。西欧、中欧一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护。几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历程3：19451950年，机械式锚杆研究与应用；19501960年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；19601970年，树脂锚杆推出并在矿山得
9、到应用；19701980年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用，研究新的设计方法，长锚索产生；19801990年，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进。目前，各国锚杆支护在巷道支护中所占比例详见图1.1。图1.1 各国锚杆支护在巷道支护中所占比例美、澳等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了100%。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用W钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，尽管其巷道断面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎
10、顶板，以及巷道交叉点、大断面硐室等难维护的条件，采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈变形。美国一直采用锚杆支护巷道，锚杆消耗量很大。锚杆种类也较多，有胀壳式锚杆、树脂锚杆、复合锚杆等。组合件有钢带和桁架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。锚杆支护发展最快的是英国。在1987年以前，英国煤矿巷道支护90%以上采用金属支架，而且主要是矿工钢拱形刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本高，因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境，在巷道支护方面积极发展锚杆支护，但也有过几上几下的经历，没有取得很大的进展。到1987年，英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，从而扭转
11、了过去的被动局面，煤巷锚杆支护得到迅猛发展。经过近10年试验的基础上，又作了改进和提高，到1994年在巷道支护中所占的比重已达到80%以上。锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。以广泛推广使用锚杆支护技术的1994年与推广前的1984年相比，英国煤矿所获得的技术经济效益如表11所示。从表中可以看出，通过发展煤巷锚杆支护，矿井吨煤成本和巷道支护费用显著降低，巷道掘进速度有了很大提高，支护质量和安全条件得到了很大改善，找到了英国煤矿生产发展的有效技术途径。表1.1 英国煤矿使用锚杆支护技术前后所取得的技术经济效益对比 年 份项 目19841994吨煤成本（英镑/t）约7035回
12、采工作面平均单产/td-15004500平均全员效率（t/天人）313.5煤巷平均成巷速度（m/周）44100巷道支护费用比/%10050事故率比值/%10010德国是U型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家。自1932年发明U型钢支架以来，U型钢支架发展迅速，支护比重很快达到了90%以上，从井底车场一直到回采工作面两巷均使用U型钢可缩性支架。但是自80年代以来，随着矿井开采深度日益增加，矿井机械化开采程度提高而引起巷道断面的不断扩大，由此造成巷道围岩变形量增加，维护日益困难。面临这种困境，德国采用不断增加金属支架的型钢重量、逐步减小棚距的做法，这不仅使巷道支护费用增高，而且施工、运输更加困难
13、和复杂。即便如此，巷道维护困难的状况仍然难以改观，于是寻求成本较低、运输和施工简单方便、控制围岩变形效果较好的锚杆支护变得尤为重要。到80年代初期，锚杆支护经在鲁尔矿区试验成功后获得推广，现已应用到千米的深井巷道中，取得了许多有益的经验。法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到1986年其比重已达50%。在采区巷道支护中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯，锚杆支护的发展也引人瞩目。他们研制了多种类型的锚杆，在全国第一大矿区库兹巴斯矿区巷道支护所占比重已达50%以上。1.1.2 国内发展现状我国从1956年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有40余年的历史。60年代锚杆支护开始进入采区，但
14、由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段等还不够完善，因而发展缓慢。煤巷与岩巷不同之处在于：煤巷围岩比较松软，在采动影响下巷道围岩变形十分剧烈。在使用金属支架时，顶底板、两帮相对移近量一般在300500mm，少则100200mm，严重时超过1000mm。煤巷使用锚杆支护时，必须要有较高的支护强度以控制围岩变形，而且不能喷浆封闭围岩，因为在围岩剧烈变形时必然导致喷层破裂而失效。由于煤巷是为回采工作面服务的，随工作面的推进而逐渐报废，煤巷服务时间较短，因而要求锚杆支护成本要低，这样给煤巷锚杆支护带来了相当大的难度
15、。煤巷锚杆支护不同于一般岩巷的锚喷（网）支护。它的主要型式是单体锚杆、锚杆加W钢带（或钢筋梁）或加网，或者加W钢带（钢筋梁）及网，简称为锚梁、锚网或锚梁网支护。在“八五”期间，煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行了攻关，取得了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汉、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区，基本上解决了一般条件下巷道支护问题。但是对于困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入细致的研究。我国进入“九五”期间，原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个项目之一，展开了更深入、细致的试验研究。经过教学、科研与生产单
16、位的联合攻关，煤巷锚杆支护技术有了较大提高，取得了不少宝贵经验，主要有：单体锚杆支护，锚梁网组合支护，桁架锚杆支护，软岩巷道锚杆支护，深井巷道锚杆支护，沿空巷道锚杆支护，可伸长锚杆，电动、风动、液压锚杆钻机，锚杆支护监测仪器，锚杆与金属支架联合支护等。特别是19961997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示，并完成了与锚杆支护技术有关的十五个项目，使我国的煤巷锚杆支护技术上了有较大提高。同时，困难条件下锚杆锚索支护技术得到了应用，并取得令人满意的支护效果和经济效益。1995年国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为28.19%，其中岩巷中占57.2%，半煤岩巷中占30.07%，煤巷中占15.15%。到1998年，
