復雜地質(zhì)條件下的煤礦掘進支護技術(shù)研究

張立軍

（烏蘇四棵樹煤炭有限責任公司，新疆 塔城 833019）

煤礦掘進施工對礦井原本地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響較大，其產(chǎn)生的機械沖擊易引發(fā)礦井塌陷事故，因此在掘進過程中需配備可靠的支護體系，避免發(fā)生安全事故。為保證掘進施工安全，有必要對復雜地質(zhì)環(huán)境的支護技術(shù)進行分析。

1 復雜地質(zhì)條件下煤礦掘進支護技術(shù)要點

1.1 掘進設備選型

復雜地質(zhì)條件下的煤礦掘進需合理選擇掘進設備類型，目前煤礦生產(chǎn)領域主要使用普通掘進機和綜合掘進機，這兩類設備均有其適用場景。其中，普通掘進機用于長度＜300m的巷道施工中，綜合掘進機則應用在長度300m以上的巷道中，如圖1所示。結(jié)合施工段長度進行設備選型，可在保證施工效率的基礎上，有效節(jié)約經(jīng)濟成本。

圖1 綜合掘進機

考慮到地質(zhì)條件的復雜程度，若條件允許，建議優(yōu)先選擇綜合掘進機。該類型設備可選擇的型號較多，能夠根據(jù)巷道斷面、巖層穩(wěn)定性等進行差異化選擇，為后期支護工作提供便利。

1.2 截齒選型

截齒選型主要針對綜合掘進機，截齒是綜合掘進機的核心構(gòu)件，其長時間直接作用于巷道巖層，因此截齒的強度必須在巖層硬度范圍之上，避免發(fā)生過度磨損，導致掘進作業(yè)無法正常進行。具體選擇可參考以下原則：（1）根據(jù)巷道巖層強度及屬性選擇截齒類型；（2）若經(jīng)勘察巖層硬度較大，一般截齒無法滿足作業(yè)需求，可引入爆破手段輔助施工。

1.3 臨時支護搭建

煤礦掘進臨時支護體系主要由綜合掘進機的液壓系統(tǒng)組成，設備自帶的液壓鎖可為目標巷道提供臨時保護，以確保掘進作業(yè)順利開展。臨時支護的搭建需重點考慮鎖閉設備的影響。

1.4 環(huán)境監(jiān)測

（1）頂板承重能力。無論選擇何種煤礦掘進支護方案，巷道頂板的承重能力監(jiān)測都非常關(guān)鍵。頂板穩(wěn)定性受掘進施工的影響較大，一旦發(fā)生塌陷事故，造成的損傷也非常嚴重。因此，在掘進施工之前，需對頂板巖層的穩(wěn)定性進行評估，設置相應的支護方案，以保證頂板的整體性和穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)巖層松動、坍落的現(xiàn)象。

（2）巷道巖體流動。以軟巖巷道為例，掘進過程一般采用“短掘短砌”的原則，階段性掘進作業(yè)范圍后，立即設置永久性支護體系。但由于巖層較軟，表現(xiàn)出一定的流動性，掘進作業(yè)后其發(fā)生變形、坍塌的速度較快，支護體系強度達標前其有可能被破壞[1]。另外，該支護方式后期維護難度較大，出現(xiàn)破損和開裂后，需要進行大面積修補。在此類工程中，需嚴格監(jiān)控巷道巖體流動情況，若發(fā)現(xiàn)流動性較強，應優(yōu)先考慮密封支護的方式，最大程度控制巖層吸水膨脹及風化程度。

（3）巷道內(nèi)部應力。若巷道內(nèi)部應力較高，單純采用機械支護的方式很難達到最佳的掘進支護效果，此時需將支護重點放在巷道內(nèi)部應力的釋放上，選用耦合支護方式，給巷道預設合理的變形空間，削弱其內(nèi)部應力后，再使用常規(guī)支護方法開展作業(yè)。內(nèi)部應力釋放需注意二次支護時間的把控，既要確保應力釋放的充分性，又要對巷道巖層變形進行有效控制。

2 復雜地質(zhì)條件下煤礦掘進支護技術(shù)優(yōu)化

2.1 技術(shù)優(yōu)化

（1）錨桿支護技術(shù)。錨桿支護是煤礦掘進支護的基礎性技術(shù)，在煤礦生產(chǎn)中的應用非常頻繁。錨桿支護技術(shù)可與U型鋼支護技術(shù)、混凝土永久支護技術(shù)等結(jié)合使用，以達到更強的支護效果。掘進過程若遭遇巖層碎裂程度較大、斷層落差較高的情況，即可利用錨桿支護技術(shù)進行處理。錨桿支護中，錨桿長度可通過L=KH+L1+L2進行計算，其中H、K、L1、L2分別為冒落拱高度、安全系數(shù)、錨桿進入巖層的深度和裸露在外的長度。

（2）直接破頂技術(shù)。直接破定技術(shù)主要用來處理巷道頂板斷層的條件，若頂板處斷層落差在2m以內(nèi)，且?guī)r層硬度未達到5MPa，則掘進過程中頂板坍塌、碎裂的概率較高，威脅施工人員及設備安全[2]。此時，需將斷層位置的頂板全部清除，以便為支護作業(yè)提供更好的地質(zhì)環(huán)境。破頂作業(yè)一般讓頂板巖層自行脫落，在施工面坡度較大的環(huán)境中，直接破定技術(shù)的優(yōu)勢更為明顯。

（3）后退臥底技術(shù)。后退臥底技術(shù)在煤礦掘進支護體系中比較常見，其優(yōu)點在于安全性高、巖層穩(wěn)定效果明顯，主要被應用在巷道頂板落差高于2.5m，且?guī)r層完整性和穩(wěn)定性較好的情況下。掘進作業(yè)過程若出現(xiàn)斷層上下位移的情況，會導致施工安全風險急劇上升，此時使用后退臥底技術(shù)，可進一步提高錨網(wǎng)的強度。后退臥底技術(shù)的應用需注意以下兩點：①在使用該技術(shù)時需對掘進機做適當?shù)暮笸颂幚?，嚴格控制后退距離；②若掘進目標面坡度小于自然坡度，需設置坡度為12°的載坡，為支護工具提供必要的支撐。

（4）綜合支護技術(shù)。綜合支護技術(shù)主要指臨時錨桿支護技術(shù)與U型鋼支護技術(shù)相結(jié)合，適用于巷道內(nèi)存在較大斷層、無法順利使用直接破頂技術(shù)的情況下，可對巷道頂板及周圍碎石進行有效加固。綜合支護結(jié)構(gòu)中，錨桿與U型鋼相結(jié)合，形成臨時支護，以確保掘進施工環(huán)境穩(wěn)定，技術(shù)應用過程注意錨桿角度及桿間距的把控。另外，U型鋼支護技術(shù)還可與錨網(wǎng)噴支護技術(shù)相結(jié)合，應對巷道巖體內(nèi)部應力過大的現(xiàn)象。例如，在巷道一側(cè)設置錨網(wǎng)噴支護，預留合理的形變空間釋放巖層應力，然后使用U型鋼形成綜合支護系統(tǒng)。綜合支護技術(shù)的類型較多，可結(jié)合具體施工情況，將2種或以上支護技術(shù)結(jié)合應用，保證巷道強度達到掘進施工要求。某煤礦工程所在位置地質(zhì)構(gòu)造為復式寬緩構(gòu)造，礦內(nèi)大落差斷層較多，巷道頂板穩(wěn)定性不足。該工程巷道切眼南側(cè)為采空區(qū)，巷道頂板已坍塌，西側(cè)巖層較薄，東側(cè)存在大落差斷層，決定采用綜合支護的方式，即將錨網(wǎng)和錨索結(jié)構(gòu)與單體液壓支護技術(shù)相結(jié)合進行施工。支護體系中單體液壓支護發(fā)揮主要固定、強化作用，提供較高的初撐力，以確保巷道周圍巖層的穩(wěn)定性，與錨網(wǎng)形成穩(wěn)定的錨巖支護體系，對巷道頂板進行加固。該工程設計的支護系統(tǒng)功能類似于組合梁，在頂板位置固定錨索，與周圍巖體和錨網(wǎng)形成懸吊梁形式，避免掘進施工中頂板發(fā)生位移或變形?；谝陨现ёo系統(tǒng)開展掘進作業(yè)，過程中未發(fā)生任何安全問題，頂板巖層穩(wěn)定性良好，且巷道寬度未受到明顯影響，給掘進施工帶來一定便利。經(jīng)驗證，錨網(wǎng)、錨索與單體液壓支柱相結(jié)合的支護方式支護效果顯著，適用于存在大落差斷層的復雜地質(zhì)條件。

（5）永久性支護技術(shù)。永久性支護技術(shù)使用的主要材料為混凝土，混凝土構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性優(yōu)勢已經(jīng)在建筑領域得到充分證實，將其應用于煤礦掘進施工中，其優(yōu)勢也可被有效發(fā)揮，以滿足復雜地質(zhì)條件對掘進支護結(jié)構(gòu)強度的要求。永久性支護技術(shù)應用前，需使用性能達標的錨桿搭建支護框架，結(jié)合支護需求，確定混凝土噴射點。施工過程中，將混凝土與錨桿、錨網(wǎng)等結(jié)構(gòu)噴涂為統(tǒng)一整體，發(fā)揮永久性支護功能，其原理與鋼筋混凝土類似[3-4]。

2.2 管理優(yōu)化

（1）加強安全管理。復雜地質(zhì)條件下的煤礦掘進施工，不確定性因素更多，發(fā)生安全風險的概率也更高，因此在科學選取掘進支護技術(shù)、設計支護方案的同時，還需加強現(xiàn)場安全管理，最大限度避免安全事故的發(fā)生。例如，搭建安全管理體系，掘進支護過程中，選派專人進行全程監(jiān)管，要求現(xiàn)場作業(yè)人員嚴格依照掘進支護技術(shù)規(guī)范進行操作，避免因人員違規(guī)或失誤引發(fā)安全問題；煤礦掘進支護過程中，配備必要的安全應急措施，提前預估可能發(fā)生的安全風險，設計風險應急預案，將安全事故造成的損失降到最低。

（2）進行模擬實驗。通過模擬實驗，可提前對煤礦掘進施工方案及支護方案進行可行性分析，結(jié)合分析結(jié)果做出針對性修改，以獲得最佳的掘進支護方案。例如，將地質(zhì)環(huán)境勘探中獲取的巷道基本信息輸入掘進支護模擬軟件中，模擬預測掘進過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)變動情況，幫助找出巖層穩(wěn)定性薄弱點，以便有側(cè)重地進行支護方案設計。在支護方案優(yōu)化上，可通過物理實驗，按比例模擬巷道地質(zhì)結(jié)構(gòu)，給出相應的壓力，觀測巷道巖層變形情況，為掘進支護施工收集更充分的理論資料。

（3）引入先進技術(shù)。隨著煤礦資源開發(fā)深度的加深，煤礦掘進過程遭遇特殊地質(zhì)條件的頻率也逐漸上升，為適應煤礦生產(chǎn)需求，行業(yè)研究出大量煤礦掘進新技術(shù)，在施工效率、施工安全方面均有明顯的提升。例如，掘進支護過程中使用的巷道地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可量化巷道掘進給周圍地質(zhì)環(huán)境造成的影響，進而對具體支護方案進行優(yōu)化，并做好安全預警工作，結(jié)合鉆孔探測設備，可更詳細地掌握巷道結(jié)構(gòu)變形機理。在煤礦掘進支護過程中，需合理引用先進技術(shù)及信息化管理手段，高效、可靠地完成支護工作。

3 結(jié)束語

復雜地質(zhì)條件下的掘進施工具有技術(shù)結(jié)構(gòu)復雜、危險性高、環(huán)境敏感、施工空間有限等特征，對支護體系的功能和可靠性提出更嚴的要求。施工過程中，應科學選取掘進設備及支護技術(shù)，確保煤礦生產(chǎn)工作安全、順利進行。