高應(yīng)力軟巖下礦井巷道支護(hù)措施探討

＊李 靖

（華陽集團(tuán)開元有限責(zé)任公司 山西 045400）

引言

由于我國采礦的深度越來越大，危險(xiǎn)系數(shù)也越來越高。因此每年都會(huì)發(fā)生軟巖地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)常存在著事故導(dǎo)致停產(chǎn)，所以應(yīng)該在開采煤礦的過程中將安全問題放在首要位置。尤其在開采深度較大的煤礦時(shí)，由于煤礦上方與兩側(cè)承受的應(yīng)力越來越大，保護(hù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)也非常的不穩(wěn)定，就會(huì)在作業(yè)的過程中存在很大的安全隱患，所以應(yīng)該采取相關(guān)措施對(duì)礦井巷道支護(hù)進(jìn)行保護(hù)。

1.高應(yīng)力軟巖概述

高應(yīng)力是一種特殊的巖體，它與常規(guī)的軟巖有較大區(qū)別，有些研究專家認(rèn)為高應(yīng)力巖石位于應(yīng)力較高的地區(qū)，這種巖體在不同情況下會(huì)表現(xiàn)出不同特征，如處在地表或者其他較淺的區(qū)域下會(huì)非常堅(jiān)硬，表現(xiàn)出的并非軟巖的特征。處在應(yīng)力較大的地下深處時(shí)會(huì)表現(xiàn)出多種力學(xué)特征。如巖石處于地表或者淺層區(qū)域，巖石的彈性與強(qiáng)度就比較大，巖石處于深層區(qū)域就會(huì)具有和普通巖石相似的特征。

有很大一部分高應(yīng)力巖體表現(xiàn)出了和普通巖體不同的特征，因此被視為特殊巖體。這種巖體大多數(shù)都是非常堅(jiān)硬的，因?yàn)樗鼈兲幱诘乇砩顚?，上端具有很?qiáng)的壓力，要承受住巨大的應(yīng)力，所以巖石的強(qiáng)度和彈性都較小，并且內(nèi)部的流變性強(qiáng)，所以才呈現(xiàn)出了高應(yīng)力狀態(tài)具有和普通巖石相似的特征。

高應(yīng)力巖石多為碎裂結(jié)構(gòu)，巖石強(qiáng)度較大，在挖道采礦時(shí)巖體會(huì)發(fā)生變形，巖石甚至?xí)侣鋵⑾锟诜庾?。因此為了完成深度開采，提高巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整礦井巷道的支護(hù)方案，采取恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)作業(yè)對(duì)策。

2.高應(yīng)力軟巖巷道的破壞特征

對(duì)于高應(yīng)力巖石的闡述可知，在礦井巷道的挖掘過程中巖體的壓力越來越小，就容易讓周圍的巖石變成軟巖。所以在開鑿巖體的過程中會(huì)表現(xiàn)出于普通巷道不同的特征。它的變形特征主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先，高應(yīng)力巖石會(huì)產(chǎn)生幾厘米甚至幾十厘米的形變，這種形變?cè)谝婚_始挖掘時(shí)變化最快。因?yàn)樵谝婚_始圍巖的變化速度最快，高應(yīng)力軟巖也快速變形。其次，在挖掘的過程中周圍物體的流變性逐漸變強(qiáng)，在巷道難以支撐住挖掘產(chǎn)生的流變力時(shí)就會(huì)使巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失去支撐的作用，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，甚至坍塌發(fā)生危險(xiǎn)事故。第三，變形具有一定時(shí)效性，如果變形已經(jīng)超過了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承受力，就會(huì)產(chǎn)生新的流變，這就會(huì)導(dǎo)致巷道難以適應(yīng)，發(fā)生失衡，也會(huì)造成圍巖的嚴(yán)重變形。在對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道進(jìn)行挖掘的過程中應(yīng)該考慮它的埋藏深度越大，圍巖的強(qiáng)度越大，破壞性也非常大，所以在挖掘的過程中較為困難。并且?guī)r石對(duì)應(yīng)力干擾變化比較敏感，在軟巖形成之后，所表現(xiàn)出來的變形特點(diǎn)和硬巖是有本質(zhì)區(qū)別的。軟巖的這一特點(diǎn)導(dǎo)致了它的開采難度較大，因此需要采取科學(xué)的手段進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)，將危險(xiǎn)性降到最低。

3.高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)原理

根據(jù)對(duì)軟巖屬性的研究以及巷道的特點(diǎn)可以看出軟巖有多種變形機(jī)制。圍巖一旦受到外力影響不可恢復(fù)形狀，就造成了塑性形變。如果施加的應(yīng)力大于硬巖所能承受的極限，就會(huì)呈現(xiàn)出巖石的塑性特征，硬巖巷道中的圍巖就難以繼續(xù)再承載重力，這時(shí)候發(fā)生的形變是永久的，不可能在恢復(fù)到原狀。而軟巖有著特殊性，在挖掘軟巖巷道時(shí)可以發(fā)現(xiàn)軟巖的可塑性更強(qiáng)，在軟巖進(jìn)入到可塑狀態(tài)之后還具有一定的承受能力，如果能夠?qū)④泿r的塑性釋放出來，就可以讓巖石的彈性加強(qiáng)，在發(fā)生形變之后應(yīng)力不會(huì)完全消失，還可以進(jìn)行彈性變形。由此可見，在設(shè)計(jì)軟巖的支護(hù)設(shè)施時(shí)，應(yīng)該考慮如何釋放軟巖空間與時(shí)間。根據(jù)研究表明，在挖掘巷道的過程中圍巖會(huì)發(fā)生變形，其中變形的速度在每個(gè)階段是不同的，通過形變速度進(jìn)行劃分，可以將其分為加速、恒定、減速三個(gè)階段，在進(jìn)入到加速變形階段時(shí)，首先在變形過程中有減速現(xiàn)象的發(fā)生，這一階段圍巖的應(yīng)力強(qiáng)度不大。第二個(gè)階段是在恒速變形階段，這一個(gè)階段圍巖的彈性較大，即使發(fā)生了形變也能夠支撐住。第三個(gè)階段進(jìn)入到了減速階段，這一階段圍巖由于承受住了太多的重力，巖石表面和內(nèi)部都增加了裂紋，圍巖的整體結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化。由此可見，在一開始減少變形的階段，巖石還沒有產(chǎn)生太大的變化，所以不是最佳防護(hù)的階段，在進(jìn)入加速變化階段已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的形變，失去了防護(hù)的效果，也不應(yīng)該在這一階段進(jìn)行防護(hù)。而在恒速變形階段能夠讓巖石發(fā)生變形產(chǎn)生的應(yīng)力以及圍巖的彈力都達(dá)到最優(yōu)，所產(chǎn)生的損失最小，所以應(yīng)該在恒速變形階段建立防護(hù)。

4.高應(yīng)力軟巖下礦井巷道支護(hù)措施

(1)對(duì)低應(yīng)力地段進(jìn)行研究

煤礦開采是一項(xiàng)高危險(xiǎn)性的生產(chǎn)活動(dòng)，所以支護(hù)防護(hù)工作在采礦工程中具有重要的價(jià)值意義。我國的很多采礦研究人員對(duì)支護(hù)防護(hù)手段進(jìn)行了大量研究，但是還是存在著很多方面的問題，而在采礦過程中地應(yīng)力是影響采礦工作的最直接影響因素。在傳統(tǒng)的采礦工作中很少認(rèn)識(shí)到地應(yīng)力的影響，在造成了嚴(yán)重的后果之后就會(huì)影響到礦井的安全性能。所以相關(guān)安全防護(hù)工作人員在開采巷道的過程中應(yīng)該意識(shí)到低應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致采礦工程的變形與破壞，并采取不同措施應(yīng)對(duì)低應(yīng)力地段。而低應(yīng)力地段是不易檢測(cè)出來的，需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行檢測(cè)。相關(guān)人員需要了解巖體力學(xué)等方面的知識(shí)，準(zhǔn)確的對(duì)巖體的特征、穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算，這樣能夠?qū)ΦV井可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而有效的解決掉采礦和設(shè)計(jì)中存在的問題。其次，有些地段有很多破碎點(diǎn)，內(nèi)部的紋路數(shù)量繁多，研究人員應(yīng)該具備豐富的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)Φ蛻?yīng)力地段的情況進(jìn)行分析。如重力以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都會(huì)造成低應(yīng)力，相關(guān)工作人員應(yīng)該對(duì)物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行研究，還應(yīng)該使用專業(yè)的勘察工具隨時(shí)檢驗(yàn)巷道環(huán)境，從而保證施工的安全性[1]。

(2)提高軟巖開采技術(shù)

軟巖巷道的開采是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題，也是采礦工作面臨的較大的問題，能否解決好這項(xiàng)問題決定了能否進(jìn)一步的進(jìn)行礦井開采。在開發(fā)煤礦的過程中對(duì)于較深地段開采不足，所以很多開采技術(shù)隊(duì)伍已經(jīng)進(jìn)入深度開采方向，煤礦業(yè)發(fā)展既然樹立深度開采的目標(biāo)，就要研究如何安全高效的進(jìn)行開采，從而發(fā)揮出最大的經(jīng)濟(jì)效益。在開采煤礦的過程中最重要的是維持加固防護(hù)技術(shù)的穩(wěn)定性，如果要保證較深地段軟巖的穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)傳統(tǒng)的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行改良，探索先進(jìn)的巖石加固技術(shù)，但是與其他發(fā)達(dá)國家相比我國深度采礦的技術(shù)存在很多不足，比如，采礦位置與地理環(huán)境不同，在施工中也應(yīng)該采取不同的開采措施。當(dāng)前我國對(duì)于采礦的位置與地理環(huán)境沒有進(jìn)行深入的研究，這是我國深度采礦的技術(shù)的缺陷。為了提升巖石巷道的穩(wěn)定性能，應(yīng)積極的探索深部軟巖巷道開采方式，為礦山的深度開采提供一定的技術(shù)支撐。如今出現(xiàn)了注漿加固技術(shù)，能夠?qū)⑵鋺?yīng)用在施工過程中從而解決在采礦過程中遇到的難點(diǎn)，還應(yīng)該通過技術(shù)創(chuàng)新，研究出更為經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(3)采取科學(xué)的采礦措施

要解決好傳統(tǒng)采礦過程中存在的問題，應(yīng)該進(jìn)行縱深方向的開采，使施工技術(shù)適應(yīng)高應(yīng)力巖石的要求。比如，在采礦的最初階段變形會(huì)非常大，在應(yīng)力作用之下會(huì)逐漸減少形變程度，在穩(wěn)定之后只有少量的變形發(fā)生，對(duì)于巷道的這一變形特點(diǎn)，應(yīng)該進(jìn)行縱深的開采方式并采取特殊的巷道支護(hù)措施。比如，可以盡可能減少對(duì)圍巖的破壞，在金屬網(wǎng)中加上塑料網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，提高圍巖的自身承重能力。還可以選擇強(qiáng)度與剛度較強(qiáng)的錨桿，增加圍巖表面的約束力，從而增加圍巖的防護(hù)強(qiáng)度，讓圍巖減少破壞[2]。另外，利用錨索能夠有效的對(duì)巷道的局部地段加強(qiáng)防護(hù)，所運(yùn)用的原理是在支護(hù)體內(nèi)設(shè)置剛性和柔性層，在兩層之間能夠留出一定的距離，這樣可以吸收掉軟巖的壓力，讓軟巖的變形量減小。因?yàn)槭褂玫牟牧贤瑫r(shí)具有間隙和柔度，能夠有效的轉(zhuǎn)化高應(yīng)力，讓圍巖的保護(hù)最大化，是一種良好的支護(hù)保護(hù)技術(shù)，當(dāng)前并沒有發(fā)現(xiàn)這種剛?cè)岵?jì)的支護(hù)方式存在很大的安全隱患，可以投入在采礦工程中廣泛使用。此外，在開采煤礦的過程中使用先進(jìn)的材料和開采方式有助于提高效率。錨固劑能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)力巖石回采巷道厚壁支護(hù)，采用加長錨固方式能夠深入到深部的巖層中，有效的改善圍巖的受力狀態(tài)，因此可以將這一先進(jìn)的技術(shù)手段應(yīng)用在采礦工作中。

5.結(jié)束語

綜上所述，如今隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和人們生活都需要用到技術(shù)能源，對(duì)于煤炭的需求也在增加，由于淺層已經(jīng)充分開發(fā)，煤礦不得不向深度開采，這些地區(qū)的圍巖條件差，應(yīng)力高，采礦的環(huán)境十分惡劣，煤礦開采極深，因此采礦工作的危險(xiǎn)性增加，為了解決好采礦的安全性問題，應(yīng)該做好礦井的支護(hù)防護(hù)工作。由于礦井挖掘巷道較深，在采礦的過程中會(huì)引起巷道變形，并使軟巖遭到嚴(yán)重的破壞，所以相關(guān)安全技術(shù)人員應(yīng)該深度研究軟巖的特征，并及時(shí)調(diào)整巷道的支護(hù)方案，在深井開采的過程中做好安全防護(hù)工作。盡可能提高圍巖和支護(hù)之間的作用，應(yīng)減少返工量，降低返修率，以保證生產(chǎn)的安全。盡管我國意識(shí)到了軟巖巷道是至關(guān)重要的一項(xiàng)問題，但對(duì)于這方面的研究仍不夠深入，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該加大深部軟巖巷道的穩(wěn)定性研究，尋找科學(xué)合理的軟巖巷道的支護(hù)方式，從而為深度開采礦山提供技術(shù)支撐，促進(jìn)礦山開采工作的可持續(xù)發(fā)展[3]。