淺析煤礦破碎軟巖巷道控制技術(shù)

李輝

摘 要：煤礦的礦坑、礦井周?chē)膸r層容易被破壞，軟巖巷道的安全支護(hù)顯得尤為重要。如果采挖的深度繼續(xù)加大，在應(yīng)力的作用下，地下開(kāi)采容易產(chǎn)生更多的軟巖巷道安全問(wèn)題。我國(guó)煤炭資源豐富，地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，軟巖巷道安全問(wèn)題一直是威脅煤礦安全開(kāi)采的因素。研究軟巖巷道的支護(hù)技術(shù)和控制技術(shù)，可以為煤礦業(yè)的巷道安全提供方案，完善巷道安全理論，對(duì)煤礦施工和生產(chǎn)具有巨大的安全意義。

關(guān)鍵詞：煤礦；軟巖巷道；控制技術(shù)

前言

煤礦的安全建設(shè)與安全開(kāi)采問(wèn)題，一直是巷道挖掘工程的難題。文章將針對(duì)軟巖巷道的控制方式進(jìn)行闡述，對(duì)比各自的特點(diǎn)，努力尋求一種或幾種有效的破碎軟巖巷道的控制技術(shù)。

1 軟巖概念簡(jiǎn)述

由于研究方向不同，對(duì)軟巖主要從三個(gè)方面進(jìn)行定義，第一種是從軟巖層的物理結(jié)構(gòu)—松、軟、散—進(jìn)行分析。一般認(rèn)為，軟巖形成時(shí)間短，膠結(jié)性差，巖體無(wú)法形成結(jié)構(gòu)一致的整體。第二種是國(guó)際通用定義，是軟巖的數(shù)字定義：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度范圍是0.5-25Mpa。第三種是我國(guó)學(xué)者提出的工程定義，以“松動(dòng)圈”為關(guān)鍵詞，軟巖是其厚度在1.5M以上的圍巖。

2 破碎軟巖巷道支護(hù)原理及控制機(jī)制

2.1 國(guó)外軟巖支護(hù)理論簡(jiǎn)述

在最初的巷道研究，國(guó)外大部分學(xué)者認(rèn)為，巷道上覆巖層的重量即為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力力量（F=γ·H），但是由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，深部地下工程較少，這個(gè)理論多為總結(jié)淺部地下工程，所以一直被認(rèn)為是正確的。但是隨著深挖技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)=γ·H理論與最新的工程實(shí)踐存在矛盾，舊理論一度忽略了新的安全問(wèn)題，所以相關(guān)學(xué)者不得不重新思考，找出解決深部巷道的支護(hù)問(wèn)題，坍落拱理論應(yīng)運(yùn)而生，該理論認(rèn)為，破碎軟巖巷道的工程跨度與四周?chē)鷰r性質(zhì)決定了坍落拱的高度與范圍。而國(guó)外較先進(jìn)的理論是數(shù)值計(jì)算理論，該理論與計(jì)算機(jī)模擬軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用有密切聯(lián)系，利用模擬軟件的離散元法、有限單元法等，為此理論提供技術(shù)支持。技術(shù)人員創(chuàng)造了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法可以模擬巖體，需要將其等效成為一種連續(xù)固體介質(zhì)，遵循固體力學(xué)的方法分析其在工程荷載下的力學(xué)特性與破壞過(guò)程。非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法的理論較為復(fù)雜，涉及不連續(xù)變形分析、塊體理論等。石根華與Goodman為不連續(xù)變形分析方法建立了一整套塊體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，完整的描述了非連續(xù)面巖體的運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律。

2.2 國(guó)內(nèi)軟巖支護(hù)理論簡(jiǎn)述

1950年代，我國(guó)學(xué)者提出軸變論：軸比變化對(duì)圍巖變形和破壞的作用理論，該理論主要研究靜力與連續(xù)介質(zhì)，在當(dāng)時(shí)屬于較為先進(jìn)的一種理論，認(rèn)為巷道圍巖破壞的根本原因是地應(yīng)力。而具有我國(guó)傳統(tǒng)文化的理論是聯(lián)合支護(hù)理論，該理論較為靈活的采取先柔后剛的方法，認(rèn)為單純強(qiáng)調(diào)剛性支護(hù)不可取，可以先支撐再讓壓，不能一味與地質(zhì)應(yīng)力抗衡，否則一損俱損，沒(méi)有緩和余地。此理論體現(xiàn)了我國(guó)的中庸文化。當(dāng)代較為先進(jìn)的支護(hù)理論是關(guān)鍵部位耦合支護(hù)。該理論認(rèn)為，如果巷道支護(hù)強(qiáng)度與周?chē)鷰r體的應(yīng)力總和不耦合，容易造成巷道破壞。該理論要求支護(hù)需要靈活，采用面和關(guān)鍵點(diǎn)雙重支護(hù)的方法。

對(duì)于支護(hù)理論，我國(guó)學(xué)者還提出多種觀點(diǎn)，大都針對(duì)巷道圍巖的形變提出的，具有各自的特點(diǎn)，形成了各自的理論系統(tǒng)。

3 軟巖支護(hù)的不足之處

3.1 錨桿的不足之處

在研究錨桿支護(hù)方式時(shí)，其主要參數(shù)是預(yù)應(yīng)力，如果預(yù)應(yīng)力越低，錨桿的主動(dòng)性變差，強(qiáng)度變?nèi)酰苯訉?dǎo)致圍巖強(qiáng)度大幅度降低，巷道就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性形變，存在重大的安全問(wèn)題。錨桿的預(yù)應(yīng)力是判斷錨桿支護(hù)能力的標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)與安裝之前，必須嚴(yán)格采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，精確計(jì)算，讓錨桿發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。

3.2 設(shè)計(jì)與施工存在漏洞

我國(guó)工程普遍存在“差不多”現(xiàn)象，同樣出現(xiàn)在軟巖的施工過(guò)程，如爆破范圍控制不足，導(dǎo)致爆破范圍超出了設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)：巷道的尺寸過(guò)大，與巷道的設(shè)計(jì)初衷不符，要修改設(shè)計(jì)，還要修改支護(hù)結(jié)構(gòu)；爆破不足同樣不能達(dá)到預(yù)期。不管是爆破不足或者爆破超限，勉強(qiáng)施工建設(shè)，都會(huì)造成巷道的結(jié)構(gòu)容易破碎和坍塌。在工程驗(yàn)收過(guò)程，由于種種利益關(guān)系，驗(yàn)收人員也抱有“差不多”心態(tài)，睜一只眼閉一只眼，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流程視而不見(jiàn)，留下安全隱患。

3.3 支護(hù)設(shè)施強(qiáng)度不夠

地應(yīng)力是軟巖巷道的主要施加外力。在做支護(hù)之前，需要對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，但是由于相關(guān)技術(shù)的局限和地形復(fù)雜性，時(shí)常造成地應(yīng)力估計(jì)不足，導(dǎo)致巷道內(nèi)部的支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，發(fā)生形變。在實(shí)踐中，地應(yīng)力尤為強(qiáng)大，即使使用了較為先進(jìn)的聯(lián)合支護(hù)，也無(wú)法徹底解決巷道的變形問(wèn)題。更為嚴(yán)重的是，大多巷道工程還沒(méi)竣工，早期的工程已經(jīng)出現(xiàn)形變，甚至完全不能使用了。

4 解決破碎軟巖巷道的措施

4.1 科學(xué)選擇巷道的橫截面

地下巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一條巷道承擔(dān)的壓力，不僅僅來(lái)源于頂層上的壓力，在某些巖層結(jié)構(gòu)中，側(cè)面壓力也許會(huì)高于頂壓幾倍、十幾倍甚至幾十倍。所以需要合理選擇巷道橫截面，易于維持巷道的穩(wěn)定性?？梢愿鶕?jù)地應(yīng)力的大小和方向來(lái)判斷巷道斷面，如果地應(yīng)力小，則可以選用傳統(tǒng)的拱形支護(hù)，如果地應(yīng)力較大，可以選用圓型巷道截面。另外還要單獨(dú)測(cè)試不同方向的地應(yīng)力；如果頂部壓力最大，在選用拱形或者圓形斷面的同時(shí)考慮選用立式橢圓；如果水平壓力最大，可以選用高跨比小于1的臥式橢圓形支護(hù)手段，實(shí)事求是的選擇不同方式。巷道支護(hù)工作實(shí)施的時(shí)候，可以根據(jù)軟巖的形變規(guī)律，有目的的加高、拓寬巷道的初形尺寸，避免后期的巷道圍巖形變。

4.2 加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度

選擇好合適的巷道橫截面，要進(jìn)一步考慮所選支護(hù)的特性，支護(hù)強(qiáng)度是直接解決軟巖形變的方法，其特性包含強(qiáng)度、彈性、伸縮性等，提高支護(hù)設(shè)施的主動(dòng)支護(hù)功能，可以卸壓或者讓壓，盡快穩(wěn)定開(kāi)挖后的巷道應(yīng)力。穩(wěn)定后立即涂抹、噴射混凝土，密封巖層表面，達(dá)到防止吸潮、風(fēng)化脫落的目的。然后再架設(shè)具有足夠支撐力同時(shí)具有柔性的支護(hù)。達(dá)到初步穩(wěn)定后，需要利用電子儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支護(hù)變形，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷一次支護(hù)能否應(yīng)對(duì)巷道形變，如果發(fā)生較大的形變，要及時(shí)加強(qiáng)措施，可以加密支護(hù)設(shè)備。在巷道開(kāi)挖后，即使沒(méi)有發(fā)生較大的形變，也要采取二次保護(hù)措施，同一次支護(hù)要求相似，需要支護(hù)設(shè)備具有讓壓、伸縮的特性，用以緩沖應(yīng)力，達(dá)到平衡軟巖增長(zhǎng)的壓力，到達(dá)足以避免突發(fā)形變的可能。如果隨著巷道的加長(zhǎng)，巷道的形變坍塌風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大，所以單一的支護(hù)方案是不夠的，建議每個(gè)3個(gè)月，要增加一次支護(hù)，用以吸收逐漸增大的應(yīng)力。

4.3 改變開(kāi)鑿截面的形狀

在充分測(cè)量的基礎(chǔ)上，分析軟巖巷道頂面和兩個(gè)側(cè)面的應(yīng)力分布，采用拋物線形的端頭，可以有效避免新挖掘的巷道的發(fā)生形變甚至斷裂，同時(shí)盡早用水泥封住軟巖斷口，避免應(yīng)力過(guò)大造成斷口繼續(xù)斷裂脫落，而且通過(guò)填補(bǔ)層理和節(jié)理發(fā)育的軟巖縫隙，在一定程度上可以提高巷道圍巖的強(qiáng)度，改變松散的特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地下軟巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的可預(yù)見(jiàn)能力，包含煤礦的開(kāi)采在內(nèi)，任何地下工程都要面對(duì)復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境，需要技術(shù)人員、施工人員本著以人為本的心態(tài)，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)量地下軟巖結(jié)構(gòu)，盡心應(yīng)對(duì)軟巖巷道的形變。在特定的軟巖巷道建設(shè)中，要全方位采集數(shù)據(jù)，分析軟巖巷道的各類(lèi)不穩(wěn)定因素，做到實(shí)事求是的測(cè)量，實(shí)事求是的施工，利用先進(jìn)的理論和先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)作出努力。

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