復(fù)雜地質(zhì)下的煤礦采煤掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)及實(shí)踐探析

＊康二愣

（柳林縣安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心 山西 033300）

我國(guó)煤炭資源較為豐富，地表之下蘊(yùn)藏了大量煤炭資源，所以為了促進(jìn)國(guó)家的發(fā)展，需要積極開(kāi)采煤炭資源，減緩各行業(yè)在能源方面的壓力。在實(shí)際作業(yè)期間，煤炭企業(yè)需構(gòu)建挖掘巷道，只有借助此方式才能將開(kāi)采的煤炭資源有效傳輸?shù)降厣?。如今，我?guó)煤炭資源的分布范圍較廣，不同地區(qū)的地質(zhì)水文環(huán)境等不同，而多種地質(zhì)條件也為煤炭的開(kāi)采作業(yè)帶來(lái)了難度。就目前煤礦開(kāi)采情況分析，盡管我國(guó)煤炭資源非常充足，但由于前期消耗了大量資源，導(dǎo)致如今煤炭資源類型和地質(zhì)條件都更加復(fù)雜，這不但加大了煤礦開(kāi)發(fā)難度，還使得掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用也變成了影響煤礦開(kāi)采工作的主要因素。在此背景下，為了更好地解決地質(zhì)問(wèn)題，我國(guó)必須注重對(duì)煤礦采煤掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的研究與運(yùn)用。

1.復(fù)雜地質(zhì)條件下，煤礦開(kāi)采的現(xiàn)狀

(1)基礎(chǔ)條件

如今，我國(guó)許多煤礦都位于老礦區(qū)，這些礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境隨著多年的發(fā)展變得越發(fā)復(fù)雜，不僅經(jīng)常出現(xiàn)大地壓，還有很多斷層情況，在很大程度上也削弱了礦區(qū)地質(zhì)條件的穩(wěn)定性，水文地質(zhì)也越發(fā)復(fù)雜，這不僅加大了作業(yè)人員的開(kāi)采難度，還為開(kāi)采作業(yè)帶來(lái)了很多安全隱患[1]。

(2)掘進(jìn)技術(shù)

在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，煤礦企業(yè)需解決以下問(wèn)題。首先煤炭開(kāi)采深度在不斷加大，頂板巖性會(huì)發(fā)生很大的改變，而起拱圍巖所受應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增加。其次在開(kāi)展掘進(jìn)施工作業(yè)時(shí)，因頂板煤層較為松軟，所以非常容易發(fā)生斷裂情況，這在一定程度上也加大了支護(hù)作業(yè)的難度，而作業(yè)人員只能使用前掘后修的方法。最后由于地質(zhì)條件十分復(fù)雜，所以很容易造成巷道斷層，在開(kāi)采薄煤層的過(guò)程中對(duì)支護(hù)技術(shù)也有了更嚴(yán)格的要求。

2.復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

(1)巷道的地質(zhì)情況、生產(chǎn)狀況

本文以某一礦區(qū)礦井為例，在1號(hào)井東運(yùn)輸中巷斷層間接底板巖石施工的過(guò)程中，間接底板大多是含礫粉、砂質(zhì)泥巖，部分地段是厚度在10m左右的泥巖、炭質(zhì)泥巖，還有少數(shù)地段的厚度超過(guò)10m或少于2m，這些地段很容易破碎，穩(wěn)定性較差[2]。如表1所示為斷層煤頂、底板巖石物理等試驗(yàn)成果。

表1 斷層下煤頂和底板巖石物理相關(guān)試驗(yàn)成果表

結(jié)合巖石地下建筑技術(shù)規(guī)范，再依據(jù)礦山的具體情況可確定該斷層下的煤頂板、底板巖石的穩(wěn)定性很弱，因斷層遭受破壞，貼近斷層的巷道巖層也易出現(xiàn)裂隙或局部破碎等問(wèn)題，這不僅造成巖石強(qiáng)度削弱，還影響了圍巖的穩(wěn)定性，所以才會(huì)發(fā)生巖石冒頂、底鼓等問(wèn)題。

(2)巷道圍巖遇水膨脹因素、機(jī)理

①受底板泥巖礦物質(zhì)影響。巷道底板之所以膨脹性很強(qiáng)，主要在于底板泥巖含有很多膨脹性礦物質(zhì)，比如高嶺石與蒙脫石在被水浸濕后會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，隨之水分子會(huì)流入晶胞層形成層間膨脹。在煤礦企業(yè)開(kāi)挖巷道后，水溝中的積水也會(huì)導(dǎo)致鋁質(zhì)泥巖的強(qiáng)度下降，隨之其體積也會(huì)發(fā)生膨脹，再受到地應(yīng)力與巖柱壓模的作用，底板巖層就會(huì)出現(xiàn)變形問(wèn)題，隨后會(huì)向巷道方向發(fā)生擠壓，進(jìn)而導(dǎo)致巷道底鼓程度加劇[3]。

②受高應(yīng)力影響。很多軟弱巖層或破碎帶巖石都會(huì)受到高應(yīng)力的影響，如若應(yīng)力超出了巖層的最大強(qiáng)度，軟弱、塑性物質(zhì)就會(huì)沿其應(yīng)力作用方向向臨空區(qū)進(jìn)行擠壓，從而造成流動(dòng)性破壞。由于巷道底層屬于軟弱碎泥巖，而頂部巖體強(qiáng)度要超過(guò)底板巖體，所以當(dāng)遭受巖柱、地應(yīng)力作用時(shí)，底板巖體會(huì)不斷擠壓巷道，進(jìn)而出現(xiàn)底鼓問(wèn)題。

③受開(kāi)放式支護(hù)形式的影響。以往采用的是開(kāi)放式底板支護(hù)形式，頂幫部錨桿使用的是樹(shù)脂螺紋鋼錨桿，在鋪設(shè)完鋼筋網(wǎng)后還噴涂了厚度在150mm的C30混凝土，結(jié)合巷道變形程度可發(fā)現(xiàn)在設(shè)置完錨索后，變形問(wèn)題得到了一定的控制，但因幫部的支護(hù)強(qiáng)度有限，所以幫部也發(fā)生了一定形變，再加上底板未采取支護(hù)措施，這在很大程度上都會(huì)導(dǎo)致底板變形且無(wú)法采取有效措施進(jìn)行控制。

3.在復(fù)雜地質(zhì)條件下，提高煤礦掘進(jìn)支護(hù)效果的有關(guān)措施

(1)優(yōu)化掘進(jìn)支護(hù)方案

針對(duì)不同地區(qū)的地質(zhì)條件，煤礦企業(yè)需設(shè)計(jì)不一樣的支護(hù)方案，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，以往采用的巷道掘進(jìn)支護(hù)方案已無(wú)法滿足掘進(jìn)支護(hù)的實(shí)際需求，煤礦企業(yè)必須就支護(hù)方案進(jìn)行全面優(yōu)化。在實(shí)際作業(yè)中，支護(hù)設(shè)計(jì)人員要先了解煤礦復(fù)雜的地質(zhì)條件，尤其是礦區(qū)三高一擾動(dòng)情況，以往采用的剛性支護(hù)理念已無(wú)法滿足巷道掘進(jìn)支護(hù)需求，而“先讓后抗”對(duì)策已成為企業(yè)巷道支護(hù)的首選。所以在明確深度巷道掘進(jìn)支護(hù)方案的過(guò)程中，企業(yè)要意識(shí)到此點(diǎn)，如基于復(fù)雜地質(zhì)條件開(kāi)展的掘進(jìn)支護(hù)工作，企業(yè)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案要額外加強(qiáng)支護(hù)體的耦合性，其中可采用U型鋼閉合環(huán)與錨網(wǎng)索支護(hù)相結(jié)合的方法，在剛開(kāi)始支護(hù)的過(guò)程中，作業(yè)人員可借助錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)，期間要為圍巖變形預(yù)留充足的時(shí)間，以便圍巖積聚的能量能得到良好的釋放。之后便可使用U型鋼閉合圈，使用卡纜將U型鋼各連接處有效連接，如若圍巖發(fā)生變形，閉合圈也會(huì)相應(yīng)變化，這不僅能為圍巖的變形提供一定的空間，還能增強(qiáng)支護(hù)阻力，進(jìn)而達(dá)到限變?cè)鲎璧淖饔肹4]。結(jié)合礦區(qū)不同的地質(zhì)條件，企業(yè)采用的掘進(jìn)支護(hù)方法也不同。如巷道涌水量過(guò)大，在開(kāi)展掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)時(shí)需使用疏堵水措施，在經(jīng)過(guò)斷層時(shí)采用的支護(hù)方法要結(jié)合斷層特點(diǎn)，再合理運(yùn)用后退臥底法等方法開(kāi)展作業(yè)。

(2)應(yīng)用臨時(shí)支護(hù)技術(shù)

在煤礦掘進(jìn)施工中，企業(yè)運(yùn)用的綜掘機(jī)是借助設(shè)備自身的液壓系統(tǒng)進(jìn)行工作的，設(shè)備是否穩(wěn)定主要取決于液壓系統(tǒng)，同時(shí)在應(yīng)用實(shí)踐的過(guò)程中作業(yè)人員還要重視液壓系統(tǒng)停機(jī)、開(kāi)機(jī)間的閉鎖裝置。據(jù)研究表明，在掘進(jìn)施工作業(yè)中都是利用綜掘機(jī)的液壓鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)，該支護(hù)方法能確保掘進(jìn)工作安全、穩(wěn)定地進(jìn)行。

(3)掘進(jìn)機(jī)選擇

煤礦采煤掘進(jìn)工作中，掘進(jìn)機(jī)是必不可少的機(jī)械設(shè)備之一，在實(shí)際作業(yè)中，施工人員還需要對(duì)開(kāi)采地區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而選擇最為適合的掘進(jìn)機(jī)，提升開(kāi)采效率。從當(dāng)前情況來(lái)看，掘進(jìn)機(jī)選擇還需要充分考慮輸送機(jī)液壓、支架以及煤層條件等，只有選擇最為適合的掘進(jìn)機(jī)，才能夠保證開(kāi)采的順利進(jìn)行。煤層分為4類，其中包括極薄、薄、中厚以及厚煤層，其中極薄煤層厚度不超過(guò)0.8m，截高也較小，此時(shí)可選擇使用爬底掘進(jìn)機(jī)施工。針對(duì)薄煤層，最薄為0.8m，最厚為1.3m，截高不高于0.9m，掘進(jìn)中可選擇使用騎槽式掘進(jìn)機(jī)施工。中厚煤層最小厚度為1.3m，最大厚度為3.5m，針對(duì)此類煤層，可以選擇使用大功率采煤機(jī)施工。最后，針對(duì)厚煤層（3.5m以上），可選擇使用大采高綜采方式開(kāi)展掘進(jìn)施工。

4.技術(shù)方案

（1）落實(shí)巷道底鼓支護(hù)設(shè)計(jì)。依據(jù)巷道底鼓問(wèn)題出現(xiàn)的原因，企業(yè)可使用鋪設(shè)隔水層的方法進(jìn)行解決，在隔水層的作用下能防止底板的膨脹性礦物遇水膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致底鼓問(wèn)題。同時(shí)企業(yè)還可強(qiáng)化地板巖層的強(qiáng)度，使用底角錨桿和加固巷道幫角等支護(hù)方法也能防止底鼓問(wèn)題的出現(xiàn)。所以針對(duì)1號(hào)井巷道企業(yè)可使用補(bǔ)打幫部錨桿支護(hù)、鋪設(shè)隔網(wǎng)層防治水的對(duì)策來(lái)防治巷道底鼓問(wèn)題，具體支護(hù)情況如圖1所示。

圖1 巷道底鼓支護(hù)圖（單位：mm）

（2）超前支護(hù)。在掘進(jìn)施工的過(guò)程中，如若工作面遇到斷層破碎帶，為了確保施工作業(yè)與人員的安全，企業(yè)要采用專業(yè)的施工技術(shù)與策略，以便作業(yè)能順利通過(guò)斷層帶。結(jié)合斷層破碎帶的分布情況以及圍巖體破碎程度等，企業(yè)可應(yīng)用超前管棚加圍巖體注漿相結(jié)合的超前支護(hù)技術(shù)。在布置管棚的過(guò)程中在相距斷層28m便可落實(shí)管棚超前支護(hù)，其中管棚半徑控制在31mm，間距為170mm，運(yùn)用長(zhǎng)短交錯(cuò)的布置形式，對(duì)長(zhǎng)管棚限制在30m，短管棚限制在25m。在完成管棚布置工作后，作業(yè)人員還要開(kāi)展圍巖體注漿工作，不過(guò)在這一過(guò)程中作業(yè)人員要對(duì)圍巖體注漿量、壓力等進(jìn)行合理控制，因?yàn)檫@些參數(shù)都會(huì)對(duì)注漿工作的效果產(chǎn)生極大的影響。通過(guò)注漿，原本松散破碎的圍巖體會(huì)膠結(jié)成一個(gè)整體，這樣圍巖體的穩(wěn)定性、強(qiáng)度等性能都可大幅提高[5]。

（3）后退臥底支護(hù)方法。在掘進(jìn)施工作業(yè)中，為了提高作業(yè)的安全性并確保工程質(zhì)量不受到影響，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，企業(yè)要采用科學(xué)、有效的方法進(jìn)行支護(hù)處理。如若施工作業(yè)期間斷層落差在頂板間2.5m范圍內(nèi)，企業(yè)便可使用后退臥底支護(hù)策略，由掘進(jìn)機(jī)保持后退狀態(tài)，以便臥底能不斷前進(jìn)，這種后退、臥底的方法不僅能增強(qiáng)巷道局部的高度、穩(wěn)定性，還能滿足巷道支護(hù)的要求。而且在具體應(yīng)用的過(guò)程中，企業(yè)還要確保煤礦頂板足夠完整，這樣煤礦開(kāi)采、掘進(jìn)作業(yè)的安全性都能得到保障。如圖2所示。

圖2 采用后退臥底支護(hù)方法的巷道掘進(jìn)情況

（4）壁后充填注漿加固。為了防止受?chē)鷰r體表面不平整或者支護(hù)結(jié)構(gòu)不科學(xué)等因素的影響，而導(dǎo)致巷道局部應(yīng)力集中或支護(hù)阻力不足，企業(yè)可采用圍巖體注漿以及壁后充填兩種形式進(jìn)行作業(yè)。通過(guò)開(kāi)展壁后充填工作，其可有效消除支護(hù)應(yīng)力不均的問(wèn)題，同時(shí)可將U29型鋼以及混凝土襯砌的承載能力大幅提高，而巷道的支護(hù)能力也能不斷加強(qiáng)。在實(shí)際作業(yè)中，作業(yè)人員需事先預(yù)埋注漿管，注漿管的間距要在1.5m，排距要在1.4m左右，外露出來(lái)的注漿口不得小于20mm。在完成二次支護(hù)作業(yè)后，企業(yè)便可借助管道進(jìn)行注漿與壁后充填作業(yè)[6]。為了防止注漿管出現(xiàn)堵塞情況，在注漿施工前作業(yè)人員要使用鉆頭清孔，清孔深度要在1m左右，之后便可使用水玻璃漿液進(jìn)行注漿，而為了提高注漿效果，注漿壓力要控制在2MPa左右。

（5）U型鋼臨時(shí)支護(hù)。如果斷層落差大，在受到摩擦擠壓后斷層區(qū)域的巖性破碎，此時(shí)就要采用臨時(shí)支護(hù)方法進(jìn)行掘進(jìn)支護(hù)。在此過(guò)程中，作業(yè)人員要使用U型鋼配合錨桿一同進(jìn)行頂板圍巖支護(hù)，這樣圍巖錨桿區(qū)的整體性會(huì)大幅加強(qiáng)，見(jiàn)圖3。不過(guò)除了開(kāi)展臨時(shí)支護(hù)作業(yè)外，企業(yè)還要利用錨桿索與其他措施相結(jié)合的方法來(lái)加固圍巖。

圖3 U型鋼

5.采煤掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)發(fā)展展望

當(dāng)前，我國(guó)在煤礦采煤掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)上取得了較大的成就，但是，因煤礦開(kāi)采環(huán)境較為復(fù)雜多變，在未來(lái)的發(fā)展中，其應(yīng)用還需要進(jìn)行深入研究。

首先，需要重點(diǎn)對(duì)井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，并找到其分布的規(guī)律，從而更好地把握開(kāi)采的環(huán)境，確保開(kāi)采的安全性。

其次，還需要根據(jù)支護(hù)的實(shí)際需求，不斷開(kāi)發(fā)研究新的支護(hù)材料以及構(gòu)件，滿足不同地質(zhì)的需求。同時(shí)，還需要積極開(kāi)發(fā)加工高精度的設(shè)備，彌補(bǔ)支護(hù)構(gòu)件質(zhì)量的問(wèn)題，全面提升支護(hù)技術(shù)。

第三，煤礦開(kāi)采中，會(huì)遇到多種巷道類型，包括極軟、超深或者受到強(qiáng)烈采動(dòng)影響的地質(zhì)，對(duì)煤礦開(kāi)采造成了較大的難度，在未來(lái)的發(fā)展中，還需要積極創(chuàng)新支護(hù)技術(shù)，從而不斷攻克難關(guān)。

6.結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)煤炭資源有了更大的需求，在此背景下，我國(guó)煤炭行業(yè)也取得了快速的發(fā)展。煤炭作為一種不可再生資源，而我國(guó)開(kāi)采煤炭歷史極為悠久，所以當(dāng)下的很多礦區(qū)都屬于老礦區(qū)，隨著人們開(kāi)采的深入，開(kāi)發(fā)難度逐漸加大，所以在復(fù)雜地質(zhì)條件下，合理應(yīng)用煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)就變得極為關(guān)鍵。