礦井深部開采礦壓與支護(hù)技術(shù)

＊連曉強(qiáng)

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭煤焦有限責(zé)任公司 山西 042100）

對于巷道圍巖控制而言，要結(jié)合礦井深部開采的基本要求和具體情況，踐行過程化技術(shù)方案，全面提升支護(hù)選擇和設(shè)計的合理性，最大程度上維持相互作用的規(guī)范程度，為井巷處理經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及安全性的提升奠定基礎(chǔ)。

1.礦井深部開采礦壓分析概述

(1)特點(diǎn)

①巷道變形量較大

對于礦井深部而言，收斂變形量的增大是非常顯著的特點(diǎn)，主要是因?yàn)閲鷰r破裂，尤其是在開采深度加大的情況下，巷道的變形量會呈現(xiàn)出更加密切的線性關(guān)系，一般而言，從礦井深部600m開始，每增加100m的深度，巷道頂部的相對移動量就會增加10%左右[1]。

②掘巷初期變形速率較大

在礦井深部開采過程中，巷道在掘進(jìn)過程中變形速度增大也是非常顯著的特征，結(jié)合相關(guān)現(xiàn)場觀測數(shù)值可知，深井巷道在剛開挖時，其變形速度一般為每天50mm。而在掘進(jìn)一段時間后，其整體速率會趨于穩(wěn)定，之所以會出現(xiàn)收斂變形，就是因?yàn)闅堄鄰?qiáng)度狀態(tài)破裂區(qū)圍巖的破裂情況會存在膨脹變形問題。例如，某煤礦階段性運(yùn)輸巷的埋深為1159m，依據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)變形速率，決定采取錨噴網(wǎng)支護(hù)處理模式，將變形速率控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

③巷道底臌量大

在開采深度不斷加大的情況下，產(chǎn)生的底臌比重也在增大，底臌量以及頂部相對位移量占比也會增大[2]。

④沖擊地壓頻率增大

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)和信息可知，在礦井深部開采工作不斷開展的過程中，礦山?jīng)_擊地壓的發(fā)生頻率以及沖擊強(qiáng)度都會隨之增大，主要是因?yàn)槊旱V和巖體都會因?yàn)樽冃渭勰芰?，在釋放的過程中必然會產(chǎn)生較大的地壓。

(2)觀測和數(shù)據(jù)處理

為了保證后續(xù)礦井深部開采礦壓處理工作的合理性，要建立完整的觀測機(jī)制和數(shù)據(jù)處理機(jī)制，以保證能結(jié)合對應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)，設(shè)定完整的處理方案，并開展后續(xù)支護(hù)工作。要對巷道內(nèi)進(jìn)行觀測斷面的布置，一般是間隔30m的位置設(shè)置2個觀測斷面，配合頂板離層量監(jiān)測分析控制機(jī)制，有效觀察監(jiān)測范圍內(nèi)頂板結(jié)構(gòu)是否存在離析問題，若是出現(xiàn)離析，要對具體的離層位置予以標(biāo)注。并且，針對圍巖深部和表面位移觀測斷面等具體參數(shù)進(jìn)行著重分析，有效了解巷道圍巖表面和深部的實(shí)際位移量，這就能驗(yàn)證相應(yīng)支護(hù)處理機(jī)制的應(yīng)用可行性，為后續(xù)支護(hù)設(shè)計的優(yōu)化提供直觀的依據(jù)。

2.礦井深部開采礦壓處理機(jī)制

在明確礦井深部開采時礦壓特點(diǎn)后，為了提升礦壓管理效果，就要踐行完整的礦壓處理機(jī)制，從而有效減少安全隱患問題對整體工程項目產(chǎn)生的影響。

(1)明確作用機(jī)理

對于巷道礦壓控制工作而言，合理性的管控圍巖狀態(tài)是根本要素，只有提升圍巖穩(wěn)定性和變形量大小控制效果，才能更好地打造完整的礦壓管理模式，從而避免安全問題。

一方面，圍巖自身力學(xué)性質(zhì)會對圍巖的穩(wěn)定性形成作用，同時，圍巖受到區(qū)域應(yīng)力場的控制，若是作用在圍巖上的應(yīng)力超出其承受的數(shù)值范圍和強(qiáng)度極限，圍巖必然會出現(xiàn)失穩(wěn)問題。尤其是巷道圍巖中煤層的強(qiáng)度，在外力作用下，托石超出的煤層的屈服極限數(shù)值，煤層就會直接進(jìn)入到塑流狀態(tài)，使得內(nèi)移或者是底板臌起[3]。

另一方面，變形量的增大也會對上覆巖層的支點(diǎn)產(chǎn)生影響，出現(xiàn)支點(diǎn)外移的情況，頂板暴露的面積增大，最終對頂板的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響，使得頂板存在下沉或者是離層問題，最終出現(xiàn)斷裂破壞和冒落等現(xiàn)象。

綜上所述，為了保證礦壓處理的合理性和規(guī)范性，就要在明確作用機(jī)理的同時，結(jié)合實(shí)際情況維持圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免壓力參數(shù)超出極限范圍，并結(jié)合現(xiàn)場安全處理要求和控制方案提升對應(yīng)處理效率。

(2)優(yōu)化巷道布局

在礦井深部開采礦壓管理控制工作中，要提升巷道布局的合理性和規(guī)范性，避免煤柱出現(xiàn)應(yīng)力集中或者是構(gòu)造應(yīng)力集中的問題，優(yōu)選穩(wěn)定性較好的巖石區(qū)域，并且將巖巷作為主要支線。尤其是在深度不斷增加的基礎(chǔ)上，回采工作面塑性區(qū)域增大，必然會使得煤柱的留寬增大，要想提升回收率，就要對工作面回風(fēng)運(yùn)輸過程予以控制，采取無煤柱護(hù)巷的處理方式[4]。

另外，在巷道布局過程中若是出現(xiàn)褶曲區(qū)域、逆斷層區(qū)域等，就要保證巷道的方向和對應(yīng)結(jié)構(gòu)的走向維持垂直關(guān)系，若是遭遇拉應(yīng)力為主的斷層結(jié)構(gòu)，則巷道的方向與其維持一致，能最大程度上減少礦壓顯現(xiàn)效果。

除此之外，巷道的布局模式和內(nèi)容都要結(jié)合實(shí)際情況落實(shí)到位，確保布局細(xì)節(jié)和綜合控制水平最優(yōu)化，確保巷道布置的方位能盡量遠(yuǎn)離斷層推進(jìn)區(qū)域，從而減少平行布置的情況，避免巷道相交造成的不良影響，最大程度上規(guī)避沖擊地壓產(chǎn)生的危險問題。

(3)優(yōu)選支護(hù)模式

礦井深部開采過程中，礦壓處理也要將支護(hù)模式的選擇作為關(guān)鍵，尤其是深度在800m以上，其巷道以中硬及中硬以上巖層分布，傳統(tǒng)的支護(hù)體系不能滿足強(qiáng)度要求，這就需要匹配對應(yīng)的支護(hù)技術(shù)處理方案，選取錨桿、可縮性支架（圖1）、改變巷道支護(hù)強(qiáng)度、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)等方式，匹配具體情況，以保證能充分發(fā)揮圍巖自身的承載力，最大程度上提高支護(hù)效果，減少礦壓不穩(wěn)定造成的安全隱患問題[5]。

圖1 可縮性支架

3.礦井深部開采礦壓支護(hù)技術(shù)

在礦井深部開采礦壓處理工序中，要結(jié)合具體情況選取匹配的支護(hù)技術(shù)，發(fā)揮支護(hù)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢的同時，打造更加安全、穩(wěn)定的工程流程，并充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)和布局的應(yīng)用價值，為礦區(qū)安全管理提供保障。

(1)支護(hù)處理要求

①開拓巷道支護(hù)

多數(shù)的礦井斜井和大巷工程項目都屬于永久性工程項目，不僅工程服務(wù)期較長，且對應(yīng)的工程項目內(nèi)容較多，為了有效提升相關(guān)工作任務(wù)的基本質(zhì)量水平，要保證相關(guān)支護(hù)效果的規(guī)范性和科學(xué)性。

第一，要對巷道支護(hù)布置環(huán)節(jié)予以重視，盡量選擇非人為造成巷道損壞的位置完成支護(hù)處理工序，并且，要選擇周圍環(huán)境中巖石層較為穩(wěn)定的巷道區(qū)域展開支護(hù)處理。

第二，要想從根本上提高巷道支護(hù)處理模式的規(guī)范性，維持工作順利開展，就要在礦井挖掘工作開始前落實(shí)相關(guān)支護(hù)參數(shù)的調(diào)研和勘察，尤其是礦井寬度，以保證能有效確定鉆井設(shè)備的尺寸，確保能挖掘和鉆井機(jī)設(shè)備尺寸大小相一致的煤層結(jié)構(gòu)，借助卸壓設(shè)備維持開采工作的合理性。這種處理機(jī)制不僅能大大提升開采工作的基本質(zhì)量，還能避免安全事故，維持周圍巖層的穩(wěn)定性。

第三，要對不穩(wěn)定巖層予以控制，確保能結(jié)合差異化支護(hù)方式和技術(shù)處理機(jī)制完成加固聯(lián)合支護(hù)。

②采區(qū)巷道支護(hù)

對于采區(qū)內(nèi)部，上山和下山的巷道礦井?dāng)?shù)量較多，所以，礦井開采模式中一般是借助半掘進(jìn)的方式完成挖掘工作，因此，要在礦井的底層位置設(shè)置對應(yīng)的底板結(jié)構(gòu)，并且，配合煤柱等基礎(chǔ)模塊，從而維持整個采區(qū)巷道支護(hù)的整體水平，打造安全可靠的支護(hù)環(huán)境，提升支護(hù)的綜合質(zhì)量效果。若是在實(shí)際開采過程中出現(xiàn)礦井底部的煤柱數(shù)量較少，則會對煤層產(chǎn)生影響，甚至?xí)γ簩觿訅寒a(chǎn)生破壞力，制約整個煤炭開采項目的安全性和工作體系的穩(wěn)定性。若是礦井底層斷面跨度在3m以上，就要配合整體支護(hù)設(shè)計方案，采取外部支架配合處理的支護(hù)模式，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一效果更加符合預(yù)期，有效避免巖層斷裂等現(xiàn)象，也能最大程度上減少煤炭資源的損耗?？傊诓扇∠锏乐ёo(hù)處理機(jī)制中，針對結(jié)構(gòu)內(nèi)容落實(shí)更加合理的控制方案，維持整體水平。

③回采巷道支護(hù)

在支護(hù)工序體系內(nèi)，回采巷道開采工作最大的安全隱患就是采動壓力變形，一旦出現(xiàn)對應(yīng)變形趨勢，必然會對巷道支護(hù)的效果以及煤炭生產(chǎn)的質(zhì)量產(chǎn)生影響?；诖?，要整合巷道支護(hù)技術(shù)方案的要點(diǎn)，落實(shí)精細(xì)化分析機(jī)制和技術(shù)控制模式，從而維持整體應(yīng)用效果。

一方面，要利用采后留巷的處理機(jī)制，確保巷道采空區(qū)邊緣位置就能完成對應(yīng)的支護(hù)處理，并且在輔助煤炭開采工作的基礎(chǔ)上，保證支護(hù)處理機(jī)制結(jié)束后沿著空送巷完成煤柱保護(hù)處理機(jī)制，減少危險因素的同時，提升巷道支護(hù)的合理性效果。

另一方面，在實(shí)際巷道支護(hù)處理工序中，利用組合錨桿式支護(hù)處理機(jī)制，配合金屬網(wǎng)和錨桿之間的錨索加固操作，就能有效維持巷道整體支護(hù)處理水平，打造穩(wěn)定且合理的控制模式，最大程度上提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2)支護(hù)處理方式

①U型鋼可縮性支架支護(hù)

一般是選取拱形U型鋼可縮性支架和環(huán)形U型鋼可縮性支架。

拱形U型鋼可縮性支架整體承載能力較好，可伸縮性較好，能實(shí)現(xiàn)支架的均勻受力，并且對于圍巖不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或者是動壓巷道有較好的適應(yīng)性。所以，在煤層開采厚度較小的掘進(jìn)巷道處理中，利用這種支架支護(hù)處理機(jī)制能優(yōu)化頂板的完整性和穩(wěn)定性。

環(huán)形U型鋼可縮性支架能形成較為穩(wěn)定的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，這就大大提升了支架結(jié)構(gòu)的承載力，變形損壞率大大降低[6]。

②錨桿支護(hù)

利用錨桿支護(hù)處理時，錨桿能發(fā)揮其懸吊作用，最大程度上維持巖層的穩(wěn)定性，要依據(jù)地質(zhì)調(diào)查獲取的地層厚度和冒落拱高度進(jìn)行確定，利用L=KH+L1+L2確定錨桿的長度，并評估支護(hù)參數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，組合梁中錨固層共同變形問題的控制能有效提升抗彎能力，減少巖層由于變形產(chǎn)生的安全隱患，在深部工程中，無論是圍巖應(yīng)力還是變形量都會出現(xiàn)較大的變化，頂板巖層也會受到破壞，此時，為了避免拉應(yīng)力失效或者是彎矩能力失衡，就要匹配懸吊模式，維持承載力參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)水平。也就是說，若是巷道呈現(xiàn)出拱形或者是圓形，則錨桿要匹配適當(dāng)?shù)拈g距，以保證拱形系統(tǒng)安裝的合理性，并且提升連續(xù)均勻壓縮帶的應(yīng)用效果[7]。

在錨桿支護(hù)操作結(jié)束后，要對其進(jìn)行應(yīng)用參數(shù)的復(fù)驗(yàn)。一般是在試驗(yàn)段設(shè)置兩個基礎(chǔ)的觀測斷面，斷面距離為30m，并且，每格觀測斷面上要按照標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定完成相關(guān)測量儀器的設(shè)置。首先，在巷道的頂板中央位置和兩側(cè)中央位置各安裝1根錨桿結(jié)構(gòu)，確保3根錨桿結(jié)構(gòu)位置的規(guī)范性，并且在錨桿結(jié)構(gòu)上安裝錨桿阻力檢測設(shè)備，有效測定錨桿動態(tài)錨固力。其次，在頂板中央和兩側(cè)中央各安裝一個SMWY-3型塑錨圍巖深部基點(diǎn)位移設(shè)備，能結(jié)合實(shí)際情況測定巷道圍巖表面以及深部的位移情況。其具體的觀測周期為距離工作面50m位置以內(nèi)的頂板離層要按照每兩天觀察一次進(jìn)行記錄，而對于50m以外的區(qū)域，要按照每6天觀察一次的周期完成記錄。并且，距離工作面50m以內(nèi)的錨固力和圍巖深度位移觀測也要按照每兩天觀察一次的方式完成相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄，50m以外依舊是每6天一次。按照標(biāo)準(zhǔn)化觀測分析方案落實(shí)相關(guān)工作，就能獲取設(shè)計測量數(shù)據(jù)，確保監(jiān)測流程的合理性和規(guī)范性，及時整理分析后若是發(fā)現(xiàn)頂板離層情況，就要及時上報管理部門，以維持整體支護(hù)處理工序的規(guī)范性。

③錨索支護(hù)

A.形式和參數(shù)

目前，針對錨索支護(hù)的研究，結(jié)合具體情況選擇適宜的支護(hù)匹配模式，從而有效提升錨索的錨固深度和承載能力，維持較好的應(yīng)用效率，特別是在軟巖巷道處理中，錨索支護(hù)處理方式能大大提升安全生產(chǎn)的水平[8]。

B.錨索支護(hù)機(jī)理

錨索支護(hù)處理過程中，若是采取單體錨索支護(hù)，就是固定在巖體內(nèi)的錨頭和外部鎖定區(qū)域進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的處理，有效形成彈性變形，從而借助內(nèi)外壓力的方式確保錨索能更好地作用在圍巖上，平衡變形力，保證巷道的穩(wěn)定性和安全性。

除此之外，錨網(wǎng)也是較為常見的支護(hù)手段，能利用金屬網(wǎng)承托擠入巷道的巖石，避免巖體垮落問題，并且將載荷傳遞到錨桿結(jié)構(gòu)中，有效加固圍巖，避免風(fēng)化對其產(chǎn)生的侵蝕，大大提升噴層的整體質(zhì)量水平和抗拉效果。

(3)支護(hù)分析系統(tǒng)

在計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的時代背景下，基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦壓和巷道支護(hù)分析數(shù)據(jù)管理模式受到了廣泛關(guān)注，能錄入表面位移、深部位移、頂板離層等相關(guān)監(jiān)測參數(shù)，配合監(jiān)測指標(biāo)對應(yīng)的計算處理方法，就能分析巷道管理效果以及工作面支護(hù)水平，打造更加完整的巷道支護(hù)管控機(jī)制，確保巷道支護(hù)技術(shù)保障效果符合預(yù)期，提升決策處理的科學(xué)性，也為巷道綜合質(zhì)量優(yōu)化予以支持。例如，Visual Basic 6.0軟件，能完成信息錄入和監(jiān)測參數(shù)計算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時性更新和數(shù)據(jù)匯總，并且依據(jù)指標(biāo)為修正巷道支護(hù)提供建議。

4.結(jié)束語

總而言之，在深井開采礦壓工作處理中，要整合具體流程和支護(hù)技術(shù)控制機(jī)制，及時調(diào)整相應(yīng)的支護(hù)方案，匹配合理化的工作流程，確保環(huán)境監(jiān)測和支護(hù)處理控制方式的最優(yōu)化，從而為礦區(qū)開采率的全面提升提供保障，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。