礦井深部開(kāi)采礦壓與支護(hù)技術(shù)研究

解明峰

（安徽神源煤化工有限公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

煤礦的開(kāi)發(fā)是一個(gè)從淺到深的發(fā)展階段，隨著技術(shù)、裝備的改進(jìn)，煤礦的采掘程度也在逐步提高。我國(guó)的礦產(chǎn)資源豐富，并且幅員遼闊，針對(duì)區(qū)域來(lái)說(shuō)，具有東部經(jīng)濟(jì)比西部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、沿海經(jīng)濟(jì)比內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的趨勢(shì)，因此這些發(fā)達(dá)區(qū)域?qū)δ芰康男枨笠搽S之增加。隨著礦洞的深入，安全開(kāi)采問(wèn)題就越發(fā)重要，就煤炭生產(chǎn)情況來(lái)說(shuō)，煤礦開(kāi)采的地質(zhì)環(huán)境、技術(shù)裝備等方面都有很大差別，特別是深層煤炭資源開(kāi)發(fā)利用程度高，所以各個(gè)地區(qū)煤礦的采掘工作中出現(xiàn)的問(wèn)題也不盡相同。

1 礦井深部的特點(diǎn)

1.1 巷道變形特征

在礦山深處，巷道具有收縮變形不斷增加的明顯特征，這是由于巖體斷裂造成的，特別是當(dāng)采礦深度增大時(shí)，巷道的形變率呈現(xiàn)直線變化，從煤礦深處600m起，往下加深100m，巷道頂部相對(duì)運(yùn)動(dòng)能力將會(huì)提升10%。在同一層地層中，由于受力程度的差異，其破壞變形程度也不盡一致。普遍的觀點(diǎn)是，煤礦的深井開(kāi)采深度大于600m，采礦就有很大的困難。深井和超深井因其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖性的變化，在各區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)量有很大的差別，在相同的地層中，各層的數(shù)據(jù)有很大的差別[1]。巷道變形問(wèn)題涉及的綜合因素較多，甚至不同時(shí)期的礦井以及開(kāi)采深度問(wèn)題都會(huì)造成不同的影響，包括了不同的挖掘方法也會(huì)產(chǎn)生不同的效果，由于采礦方法和地質(zhì)情況的差異，其效果也不盡相同，所以，在考慮變形問(wèn)題的同時(shí)，要全面排查各種因素。

1.2 前期掘巷的變形速率較高

礦山深層采礦時(shí)，巷道開(kāi)挖時(shí)的變形速率是持續(xù)增大的，井巷隧道初挖時(shí)，其位移速率通常為50mm。產(chǎn)生變形的根本原因就是由于在剩余的應(yīng)力狀態(tài)下，圍巖的斷裂狀況產(chǎn)生了擴(kuò)容和膨脹，因此出現(xiàn)了變形的問(wèn)題[2]。所以，在進(jìn)行變形監(jiān)控時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測(cè)量，以保證其在容許的范圍之內(nèi)。變形檢測(cè)設(shè)備可以運(yùn)用專用的檢測(cè)儀器對(duì)巷道內(nèi)的變形進(jìn)行觀察、分析、預(yù)報(bào)等，然后可以上傳到監(jiān)控設(shè)備中，工作人員可以據(jù)此進(jìn)行分析，明確巷道內(nèi)的安全隱患問(wèn)題。現(xiàn)有的計(jì)量技術(shù)和方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足之處，還有待于對(duì)其應(yīng)用的條件及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入探討。礦山開(kāi)發(fā)越是深入，礦山內(nèi)部的壓力就會(huì)逐步增強(qiáng)，如此一來(lái)，巷道維修工作就變得更加的困難，并且地下溫度也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，給深部礦井的測(cè)量工作帶來(lái)了許多阻礙和挑戰(zhàn)。

1.3 沖擊地壓的頻率增大

通過(guò)對(duì)有關(guān)資料和資料的分析，得出了隨著煤礦的深入開(kāi)發(fā)，煤礦的沖擊地震波出現(xiàn)的次數(shù)和強(qiáng)度也會(huì)隨著煤礦的發(fā)展而變化的規(guī)律，研究表明這是由于礦井和巖石由于變形而聚集了大量的能源，在這種情況下，一定會(huì)有很高的地壓力。地下氣壓的波動(dòng)范圍很大，其加壓比平時(shí)的壓強(qiáng)大到數(shù)十到數(shù)百倍，并且會(huì)造成極度的負(fù)壓[3]。與此對(duì)應(yīng)的是，當(dāng)煤層壓力升高時(shí)，所觀測(cè)到電波頻率的輻射程度也會(huì)變得更強(qiáng)，從而使其發(fā)生碰撞地壓的概率也會(huì)提高。所以，與一般的露天煤礦相比，地下礦井具有更大的危害性，對(duì)工人的人身安全也有更大的威脅。在數(shù)十年的研究與探索中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者總結(jié)出一套全新的地震地震學(xué)新的研究方法和研究結(jié)果。

2 礦井深部開(kāi)采礦壓處理機(jī)制

2.1 確定礦壓作用機(jī)制

礦山開(kāi)采壓力管理工作中的合理控制是最基本的元素，確定礦壓作用機(jī)制可以提高圍巖的穩(wěn)定度和變形的尺寸，只有這樣，才能依此建立起一個(gè)完善的礦井壓力控制模型，防止煤礦出現(xiàn)安全問(wèn)題。圍巖本身具有機(jī)械特性的特點(diǎn)，并且圍巖對(duì)于巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響是非常巨大的。同時(shí)，如果該地區(qū)的應(yīng)力集中在巖體上，一旦當(dāng)壓力超過(guò)其所能接受的數(shù)值或強(qiáng)度限制時(shí)，圍巖將不可避免地產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題，巷道圍巖區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)的受壓程度也會(huì)發(fā)生變化，在外力的影響下，超過(guò)了巷道的承載限值時(shí)，煤層將會(huì)直接到達(dá)塑流區(qū)，發(fā)生基座向里移動(dòng)或凸出的狀況。變形增加還可影響上覆巖石的支撐力在此作用下，支座發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，使露出的頂板區(qū)域擴(kuò)大，最終對(duì)其產(chǎn)生了一定的破壞作用。由于頂板受力狀況的作用，導(dǎo)致頂板下陷或出露。最后，會(huì)發(fā)生破裂、崩塌等問(wèn)題。為了確保礦山壓力治理的正確性和科學(xué)性，就要確定作用機(jī)制，并與現(xiàn)場(chǎng)條件相聯(lián)系，保證其穩(wěn)定性，防止超過(guò)限值的壓力指標(biāo)，還要與現(xiàn)場(chǎng)的安全處置需求相聯(lián)系，提高相應(yīng)的工藝效果和管理方法。

2.2 合理布局巷道線路

煤礦井下采礦壓力的管理與控制應(yīng)采取措施的前提就是要保證煤層結(jié)構(gòu)的合理化、規(guī)范化，防止煤柱受力過(guò)大。防止應(yīng)力的集中，可以選擇具有良好穩(wěn)定性的巖體區(qū)作為中心部分，然后對(duì)巖巷進(jìn)行施工。特別是隨著開(kāi)采的加深，開(kāi)采難度也會(huì)隨著可塑性范圍的擴(kuò)大而增加，那么煤柱留寬勢(shì)必也會(huì)增加，所以，為了提高采收率和加快開(kāi)采的速度，必須嚴(yán)格管控開(kāi)采后的回風(fēng)量，使用無(wú)煤柱護(hù)巷道的形式。此外，巷道在規(guī)劃的時(shí)候，如果發(fā)生褶皺、逆斷層等情況，必須保持井口的方向和相應(yīng)的構(gòu)造方向保持豎直的聯(lián)系，如果遇到了主要受拉力影響的斷層，那么，井口的方向必須保持與之平行，這樣才能將采煤壓力的影響降到最低。并且，還必須根據(jù)具體的具體條件，將其設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)方案實(shí)施得恰到好處，保證方案的設(shè)計(jì)和整體的控制水準(zhǔn)達(dá)到最好，保證巷道的布置位置盡可能地與斷裂推進(jìn)區(qū)保持一定距離，盡可能減少并行排列的情形，避免因巷道交叉引起的不利后果，降低因撞擊引起的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 科學(xué)選取支護(hù)形式

礦山在深井采礦時(shí)，礦山壓力的治理也應(yīng)把支撐方式的選取問(wèn)題列為重點(diǎn)，特別是800m 以下的深井，可以以巷道中等硬度和中等硬度以上的巖石為主，常規(guī)的支撐系統(tǒng)難以達(dá)到強(qiáng)度的要求，為此，必須采用相應(yīng)的支護(hù)工藝，選擇排樁支護(hù)、錨桿支護(hù)、基槽支護(hù)、可縮性支架、改變巷支護(hù)強(qiáng)度、錨噴網(wǎng)組合支護(hù)等方法，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，使其能夠最大限度地利用巖體本身的承載量，使其最大限度地提高其支護(hù)水平，降低礦山壓力不穩(wěn)定所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 礦井開(kāi)采支護(hù)技術(shù)分析

3.1 支護(hù)處理要求

礦山斜井及大巷工程大多為長(zhǎng)期工程，不但具有長(zhǎng)期的施工周期，而且涉及的項(xiàng)目也很多，要提高有關(guān)工作的基礎(chǔ)質(zhì)量，必須確保相應(yīng)的支撐工作體系具備規(guī)范化、科學(xué)化。所以就要注意支護(hù)的布局，在不受人為破壞的情況下，盡可能地進(jìn)行支護(hù)處理，在周邊地區(qū)進(jìn)行支擋加固。為了從根本上改善支護(hù)管理方式，維護(hù)礦采作業(yè)的正常進(jìn)行，必須在開(kāi)挖作業(yè)之前進(jìn)行有關(guān)的地質(zhì)調(diào)查和實(shí)地勘察，特別是煤礦的寬度和深度，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)可以來(lái)選擇鉆具的尺寸，保證煤礦的采掘與鉆井機(jī)的規(guī)模相符，并在卸料裝置的輔助下保持采礦作業(yè)的合理性[4]。這樣的工作治理機(jī)制，既可以提高采礦作業(yè)的品質(zhì)，又可防止礦井的安全問(wèn)題，還能夠維護(hù)周邊巖石的穩(wěn)定，最后還要嚴(yán)格的管控不穩(wěn)定的地層運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，可以將不同的支撐模式和工藝措施相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加固的綜合支撐。

由于采區(qū)內(nèi)有大量的巷道礦井，因此，在煤礦生產(chǎn)中，大多是采用半開(kāi)挖的方法來(lái)進(jìn)行采礦。為此，必須在下層布置相應(yīng)的底板，并與煤柱等基本組件相結(jié)合，以保持采區(qū)整體的平穩(wěn)，創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定、可靠的支撐條件，提高支護(hù)的綜合質(zhì)量。如果在煤礦生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)煤礦下煤柱數(shù)目不多，不僅會(huì)對(duì)煤層造成一定的沖擊，而且還會(huì)對(duì)煤層的動(dòng)壓造成一定的損害，從而限制了煤礦整體的安全運(yùn)行和作業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。如果煤礦的下限截面超過(guò)3m，則要根據(jù)整個(gè)支護(hù)的設(shè)計(jì)，采用與外托架相結(jié)合的支護(hù)方式，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的一致性與預(yù)想的一致，從而有效地防止了巖層的破壞，并將煤的損失降到最低。所以，應(yīng)在采用支護(hù)機(jī)制時(shí)，根據(jù)施工組織的具體情況，實(shí)施更為合理的施工控制措施，保持總體水準(zhǔn)。

在綜采過(guò)程中，采動(dòng)變形是回采巷道應(yīng)力處理中的最大威脅，如果發(fā)生相應(yīng)的位移，勢(shì)必會(huì)對(duì)采巷的支護(hù)效果和礦井的生產(chǎn)品質(zhì)造成一定的不利影響。因此，必須將巷道支撐技術(shù)的重點(diǎn)統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)行精細(xì)的解析與技術(shù)的管理，才能保持其總體的使用效益。要充分發(fā)揮采后留巷治理的作用，以保證在采空帶的邊界部位能夠進(jìn)行相應(yīng)的支撐，以及在支撐治理機(jī)制結(jié)束后，在空送巷內(nèi)進(jìn)行煤柱防護(hù)，既降低了風(fēng)險(xiǎn)，又提高了巷道的支護(hù)效率。同時(shí)，采用復(fù)合錨桿支護(hù)技術(shù)，結(jié)合金屬網(wǎng)錨與錨桿間的錨固作業(yè)，在實(shí)際巷道的治理過(guò)程中，可以保持整個(gè)巷道的支護(hù)水平，形成一個(gè)穩(wěn)定、合理的支護(hù)模型，使支護(hù)的穩(wěn)定性得到最大限度的改善。

3.2 支護(hù)處理方式

雖然采礦環(huán)境在不斷改善，但是由于采礦技術(shù)效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的綜合作用，導(dǎo)致了煤礦的深層采礦重大問(wèn)題已經(jīng)產(chǎn)生。其中最主要的影響是礦井的地質(zhì)條件，在高應(yīng)力的影響下周圍的巖體會(huì)產(chǎn)生了一定的位移，并且位移造成的抖動(dòng)加劇，坑洞的內(nèi)部穩(wěn)定性就容易遭到破壞。這種情況下進(jìn)行基坑支護(hù)和巖層采礦作業(yè)的話，U 形金屬支撐及圍巖支護(hù)巷道往往會(huì)在高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生很大程度上的變形。所以不僅是開(kāi)采環(huán)境非常惡劣，巷道的維護(hù)工作也難以在確保安全的前提下進(jìn)行。

U 型鋼的伸縮式支撐通常選用弓形U 型鋼和U 型鋼的伸縮式支撐。U 型鋼拱式伸縮式支撐具有良好的承載力和伸縮性能，能夠使支撐物的受力達(dá)到均衡，同時(shí)適用于不穩(wěn)定的圍巖體和動(dòng)壓巷。因此，采用該支護(hù)技術(shù)對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行了加固，可使其整體穩(wěn)定性得到最大程度的改善。環(huán)狀U 形鋼托架具有更好的閉環(huán)穩(wěn)定性，使其承載量大幅提高，并大幅減少了變形破壞的發(fā)生率。采用錨桿支護(hù)時(shí)，可使其充分發(fā)揮其懸吊功能，最大限度地保持巖體的穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察獲得的層厚及冒落拱頂?shù)母叨?，首先可以?jì)算出錨桿長(zhǎng)度，根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。在工程實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的聯(lián)合變形進(jìn)行控制，可以提高結(jié)構(gòu)的抗彎承載力，降低因變形引起的巖體結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)。在深埋施工過(guò)程中，由于巖體的受力和變形會(huì)發(fā)生很大的改變，從而導(dǎo)致頂板的巖體發(fā)生損傷，因此，要防止產(chǎn)生拉應(yīng)力和彎矩平衡，必須采用懸掛方式來(lái)保持正常的承載力[5]。

3.3 支護(hù)分析系統(tǒng)

地質(zhì)情況、土壤成分、開(kāi)采技術(shù)、施工工藝等對(duì)于煤礦深部開(kāi)挖的影響很大。由于巷道的圍巖體變形速率太大，導(dǎo)致了巷道的開(kāi)挖難度也在不斷的增加，周圍的變形區(qū)域增大，那么深部礦產(chǎn)工作的危險(xiǎn)系數(shù)也在上升，井巷道巖性的對(duì)比研究顯示，由于巖性不同，當(dāng)巷道逐步向內(nèi)延伸時(shí)，其巖性的差別將會(huì)影響到巷道的圍巖，圍巖會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。所以就巷道而言，其使用和維修費(fèi)用相對(duì)較高，并且，由于掘進(jìn)的深度和開(kāi)挖部位的改變，在不同的條件下，會(huì)產(chǎn)生很多的廢棄的巷道。巷道對(duì)于內(nèi)部支撐性的承載力和環(huán)境條件等都有嚴(yán)格的要求，即使把支架的形狀擴(kuò)大到一定程度，那么造成的成本問(wèn)題以及安全問(wèn)題都將成為支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用考量。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，信息時(shí)代的來(lái)臨已經(jīng)讓計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中，在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的加持下，可以對(duì)于礦壓以及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行綜合分析。還可以進(jìn)行立體建模仿真模擬，對(duì)于圍巖以及地層的變動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，包括了檢測(cè)頂板數(shù)據(jù)等，可以直觀的分析出巷道管理的效果，并且對(duì)于支護(hù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。能夠建立完全的支護(hù)管理體系，確保礦采作業(yè)的科學(xué)性和合理性[6]。尤其是數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息輸入是把資料的處理能力有機(jī)地整合在一起，使得信息的處理更為統(tǒng)一。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和可視性提出了更高的要求。該系統(tǒng)的架構(gòu)更為成熟，可以在一定程度上，對(duì)各類型的需求，并在較快的速度上滿足建出一套針對(duì)特定問(wèn)題的體系。這些都是為了適應(yīng)礦采巷道支護(hù)安全的要求而進(jìn)行的，在面對(duì)新的要求時(shí)，還必須根據(jù)實(shí)際情況來(lái)不斷調(diào)整和優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

世界各國(guó)關(guān)于深井的研究目前尚無(wú)明確的量化指標(biāo)，因而煤炭深層的儲(chǔ)量分析仍需進(jìn)一步深入，在礦井深部開(kāi)采礦壓與支護(hù)技術(shù)研究的過(guò)程中，需要結(jié)合本國(guó)的國(guó)情和煤礦開(kāi)采的實(shí)際情況。