復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用淺談

邢海波+馬琳

摘 要：隨著我國的快速發(fā)展，人們對煤炭資源的需求與日俱增，煤炭資源開采強(qiáng)度越來越大。同時，煤礦開采技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新也從未間斷。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，煤巖性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造是影響煤礦巷道成巷的兩大因素。根據(jù)巷道所處的煤巖性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造，采用切合現(xiàn)場實(shí)際的掘進(jìn)設(shè)備和掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)是煤礦巷道掘進(jìn)施工中的根本措施。正確的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)可以使巷道施工更加安全、高效、高質(zhì)量?；诖耍疚姆治隽嗽趶?fù)雜地質(zhì)條件下，煤礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤炭開采；掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)；復(fù)雜地質(zhì)條件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.101

1 煤礦掘進(jìn)地區(qū)的地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是指在地層內(nèi)、外應(yīng)力作用下，巖層（煤層）或巖體發(fā)生變形、位移或斷裂而產(chǎn)生的地質(zhì)形態(tài)。主要分為水平構(gòu)造、傾斜構(gòu)造、斷裂和褶皺。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，斷層落差、斷層走向、煤層賦存變化萬千，各種地質(zhì)構(gòu)造難以預(yù)測。特別是在臨近地質(zhì)構(gòu)造時，由于掘進(jìn)、采動及支護(hù)等擾動影響而導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，同時，受淋水、風(fēng)化等物化反應(yīng)，煤巖性質(zhì)發(fā)生改變，及時根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況改變掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)參數(shù)和掘進(jìn)設(shè)備才能保證巷道掘進(jìn)的安全和高效。

1.2 煤巖性質(zhì)

煤礦巷道掘進(jìn)時，巷道原始應(yīng)力平衡被打破，引起圍巖應(yīng)力的二次分布，巷道頂板、底板、兩幫煤巖發(fā)生形變和位移。特別是在軟巖和具有煤巖突出特性的煤巖中進(jìn)行巷道掘進(jìn)時，煤巖形變和位移更加劇烈和明顯，要特別注意加強(qiáng)巷道支護(hù)的監(jiān)測和管理，及時更改技術(shù)參數(shù)。

軟巖由于含有大量高嶺石、蒙脫石等遇水易膨脹的礦物質(zhì)，其自身強(qiáng)度低，遇水后在水理作用下，軟巖強(qiáng)度會進(jìn)一步降低。因此，軟巖巷道會隨著時間的推移，在地應(yīng)力、水平應(yīng)力以及水理作用下，巷道兩幫凸出、底鼓變形嚴(yán)重。

煤巖突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶附近，在巷道開掘后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在地應(yīng)力和瓦斯的共同作用下，煤、巖石和瓦斯在極短時間內(nèi)向自由區(qū)噴出或釋放。尤其在頂?shù)装鍘r性致密硬度高、煤層硬度低、高瓦斯、高低壓的巷道中多發(fā)。

2 煤礦掘進(jìn)的技術(shù)難點(diǎn)及對策

復(fù)雜條件下巷道掘進(jìn)有諸多難點(diǎn)。在這里主要分析軟巖條件下的巷道掘進(jìn)和支護(hù)難點(diǎn)和采掘應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)和支護(hù)難點(diǎn)。

2.1 軟巖條件下的巷道掘進(jìn)和支護(hù)難點(diǎn)

軟巖巷道會隨著時間的推移，在地應(yīng)力和水理作用的影響下，巷道圍巖發(fā)生大位移現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為底鼓、兩幫凸出。當(dāng)巷道設(shè)計參數(shù)不合理或巷道支護(hù)參數(shù)等技術(shù)參數(shù)不合理時，會大大增加巷修工作量，妨礙煤礦運(yùn)輸、通風(fēng)和交通，若不及時修正，將對煤礦安全生產(chǎn)造成極大威脅。

軟巖巷道底鼓分為擠塑性底鼓和膨脹性底鼓。擠塑性底鼓是軟巖在水平應(yīng)力擠壓下緩慢擠壓凸出。膨脹性底鼓是軟巖中的膨脹性礦物質(zhì)在水理作用下產(chǎn)生膨脹，在應(yīng)力擴(kuò)容機(jī)制下巖體體積增大。當(dāng)巷道中有積水時，兩種底鼓會相互促進(jìn)，造成惡劣循環(huán)。

對上述兩種變形，根據(jù)情況首先可采用增加底角錨桿支護(hù)和底板錨桿限制巷道變形。其次，可將巷道斷面設(shè)計增加反底拱設(shè)計。最后，從改變圍巖應(yīng)力分布角度入手，在軟巖巷道旁開挖泄壓槽或充填區(qū)，使自由區(qū)巷道應(yīng)力降低。

2.2 采掘應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)和支護(hù)難點(diǎn)

在采掘應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)，巷道掘進(jìn)過程中冒頂垮落的風(fēng)險以及沖擊地壓發(fā)生的頻率和烈度比原巖應(yīng)力區(qū)高很多。在應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)，巷道掘進(jìn)主要受兩種形式的應(yīng)力破壞。第一種是單次大能量應(yīng)力沖擊，比如煤巖突出和沖擊地壓，它會瞬間破壞巷道原有支護(hù)，對巷道造成毀滅性破壞。第二種是循環(huán)疊加應(yīng)力，比如周期來壓和循環(huán)炮掘，單次應(yīng)力強(qiáng)度不大，但經(jīng)過多次循環(huán)和疊加后，巷道的支護(hù)材料會產(chǎn)生疲勞損傷，材料強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致巷道變形或冒頂垮落。

在應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)，巷道掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)和設(shè)備要根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力類型，確定巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)和設(shè)備材料類型。

3 復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 合理設(shè)置相關(guān)設(shè)備、材料的參數(shù)

煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備主要有耙裝機(jī)、綜掘機(jī)、掘錨機(jī)、TBM等。為保證各種設(shè)備在掘進(jìn)過程中發(fā)揮最大的作用，就要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的掘進(jìn)環(huán)境選擇相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備件。因?yàn)榘已b機(jī)、綜掘機(jī)、掘錨機(jī)、TBM等設(shè)備都有自身的工作臨界點(diǎn)，只有全面地進(jìn)行地質(zhì)分析，才能使設(shè)備可以在臨界點(diǎn)以內(nèi)正常工作，保證掘進(jìn)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

目前煤礦巷道掘進(jìn)支護(hù)材料主要包括各種主動支護(hù)材料，如錨、梁、索、網(wǎng)等，以及各種被動支護(hù)材料，如木柱、單體支柱等。在確定支護(hù)材料類型前，要綜合分析地質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力屬性以及采用的掘進(jìn)技術(shù)類型，然后確定采用何種支護(hù)材料。只有當(dāng)支護(hù)材料符合支護(hù)技術(shù)要求時，巷道質(zhì)量才有保證。

3.2 采用先進(jìn)的技術(shù)手段及機(jī)械設(shè)備

隨著淺層煤炭資源的枯竭，煤礦開采重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向1000～2000m區(qū)間內(nèi)的深部煤炭資源。采深的增大導(dǎo)致一系列的技術(shù)難題。在這一采深，圍巖性質(zhì)不在與淺部圍巖性質(zhì)相同，例如圍巖出現(xiàn)流體現(xiàn)象和高頻率、高烈度的沖擊地壓。加之各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，使得現(xiàn)有的淺部煤礦巷道支護(hù)技術(shù)和機(jī)械設(shè)備難以滿足大采深的巷道掘進(jìn)需求。

目前，國內(nèi)外比較先進(jìn)的深部巷道掘進(jìn)技術(shù)包括恒阻大變形或耦合大應(yīng)力錨索（桿）技術(shù)、動態(tài)耦合支護(hù)技術(shù)、U型鋼架配合錨網(wǎng)索噴支護(hù)技術(shù)等。而目前先進(jìn)的掘進(jìn)設(shè)備包括各種綜掘機(jī)、掘錨機(jī)以及TBM等。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，積極采用各種先進(jìn)技術(shù)手段和機(jī)械設(shè)備，才能提高巷道掘進(jìn)效率和巷道支護(hù)質(zhì)量。

通過本文的分析，可知在復(fù)雜地質(zhì)條件下，煤礦巷道掘進(jìn)過程中存在各種難點(diǎn)和要點(diǎn)，全面正確的分析巷道圍巖環(huán)境和地質(zhì)條件，準(zhǔn)確找出巷道掘進(jìn)過程中的影響因素，針對性的采用新技術(shù)、新手段、新設(shè)備。同時加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)控，當(dāng)巷道環(huán)境發(fā)生變化時，及時調(diào)整技術(shù)或設(shè)備參數(shù)等，才能確保煤礦巷道掘進(jìn)的安全施工和支護(hù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]常偉.復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦開采掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2016（11）：173-174.

[2]金鎮(zhèn).復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2014（11）：17.endprint