淺談金屬礦山巷道支護技術*

王建棟

(包鋼集團礦山研究院,內蒙古 包頭市 014010)

0 引言

礦山井下巷道是采礦過程中必不可少的一部分,其支護工作對于保障礦工安全、提高采礦效率具有非常重要的意義。巷道支護不僅能夠有效地避免礦山事故,而且還能夠提高巷道的穩(wěn)定性和使用壽命,保障生產的連續(xù)性和穩(wěn)定性[1-5]。常見的巷道支護方法包括鋼筋混凝土襯砌、預制拱形支架、錨桿支護、注漿支護等。這些支護方法具有各自的特點和適用范圍,需要針對不同的巷道類型和地質條件進行選擇和應用。比如,在地質條件較好的地方,可以采用鋼筋混凝土襯砌進行支護;在地質條件較差的地方,可以采用錨桿支護或注漿支護等方法來提高巷道的穩(wěn)定性和安全性[6-8]。因此,加強金屬礦山巷道支護工作的研究和實踐,對于保障礦山生產的安全和穩(wěn)定、提高采礦效率,以及推動礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

1 金屬礦山巷道支護的現(xiàn)狀

1.1 國內外礦山巷道支護的發(fā)展歷程

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展,礦山采礦比例逐年增加,礦井巷道的建設也愈加重要。20世紀50年代,我國礦山巷道支護技術主要采用木質框架、木板和木梁等傳統(tǒng)材料支護。20世紀60年代末至70年代初,鋼材、混凝土和磚石等材料得到了廣泛應用。這些新型材料基本上解決了傳統(tǒng)材料使用過程中的缺點,節(jié)省了大量的人力、物力和財力資源。此后,人們又采用了桿式支護、網(wǎng)片支護、噴錨支護等新技術,這些技術的應用大大提高了礦山巷道的安全性和穩(wěn)定性。而支護理論的發(fā)展是隨著我國對于礦產資源的開發(fā)后逐漸形成的,由于我國資源需求量大以及國家對于資源開發(fā)的科研投入增多,到目前為止,我國在支護理論方面逐漸形成了許多自己的觀點,并且有些理論都在實踐中一步步地得到了證實。我國現(xiàn)有的主要支護理論有:軸變理論和系統(tǒng)開發(fā)理論、聯(lián)合支護理論、錨噴-弧板支護理論、關鍵部位耦合組合支護理論、圍巖松動圈理論等。

隨著人們對礦山巷道支護技術的深入研究,國外的礦山巷道支護技術也發(fā)展得十分迅速。20 世紀80年代初期,美國礦業(yè)機械公司研究出了一種新型的鋼材鉆孔錨桿支護系統(tǒng),該系統(tǒng)在支護效果和節(jié)約成本方面都取得了顯著成果。而在歐洲,鋼筋混凝土和擠塑板支護也得到了廣泛應用。這些支護材料和技術的不斷發(fā)展和改進,不僅提高了礦山巷道整體的安全性和穩(wěn)定性,還有助于減少對環(huán)境和自然資源的破壞和損失[9-15]。國外對于支護理論的研究比較早,目前最為實用且有發(fā)展的理論有:新奧法理論、應變控制理論、能量支護理論等。

1.2 目前礦山巷道支護存在的問題

在礦山巷道支護領域,盡管已經(jīng)有了很多新型材料和技術的應用,但仍然存在著一些問題和難點。

(1) 地質條件復雜。巷道支護在不同地質條件下需要選擇不同的支護方法,但地質條件復雜、多變性高,給支護設計和施工帶來了挑戰(zhàn)。地質條件的不同可能導致巷道支護的適用性存在差異,需要針對性地設計和施工,并且不同的地質條件需要不同的支護措施和支護材料。隨著礦山深度的不斷增加,巷道支護也越來越復雜,需要更加高端的技術和設備來應對。

(2) 質量控制。由于礦山巷道的特殊性質,其支護工作必須在極短的時間內完成,并且需要保證工程質量,目前在支護質量控制方面還存在一些問題,如施工監(jiān)測不及時、不準確,工程驗收標準不一致等。因此,需要建立完善的質量控制體系,加強對支護施工和質量的監(jiān)管和評估,并且需要通過優(yōu)化施工工藝和提高技術水平來實現(xiàn)更加高效、精準的巷道支護[16-21]。

(3) 安全風險。巷道支護涉及到工人的安全和施工現(xiàn)場的安全管理。如果支護設計不合理或施工過程中出現(xiàn)問題,可能會導致安全隱患和事故發(fā)生。因此,需要加強對巷道支護施工的監(jiān)測和控制,確保施工過程的安全性。

(4) 支護方法選擇和優(yōu)化。不同的巷道支護方法有其適用范圍和特點,但在實際應用中,支護方法的選擇可能不夠科學和系統(tǒng)。一些企業(yè)可能傾向于傳統(tǒng)的支護方法,而忽視了新興技術和材料的應用,造成了施工效率低下和支護效果不理想。因此,需要加強支護方法的研究和應用,優(yōu)化和改進現(xiàn)有的支護技術。

(5) 環(huán)境友好性。目前,巷道支護中使用的材料和方法可能對環(huán)境造成一定的污染和影響。例如,使用大量的鋼筋和混凝土可能會產生大量的廢棄物和二氧化碳。因此,需要注重巷道支護的環(huán)境友好性,在支護設計和施工中考慮環(huán)境因素,采用環(huán)保材料和技術,減少對環(huán)境的影響。

2 金屬礦山巷道支護的關鍵技術

金屬礦山巷道支護是礦山建設、運營和安全管理中的重要環(huán)節(jié)。在礦山開采過程中,由于巷道貫通、巖體開挖和巷道穩(wěn)定等因素的影響,巷道支護需要應用多種技術和設備,以確保巷道的穩(wěn)定和安全。因此,地質勘探技術、巷道預處理技術、支護材料與設備的選擇以及支護方法的設計與優(yōu)化等技術,是金屬礦山巷道支護的關鍵技術。

2.1 地質勘探技術

地質勘探技術是金屬礦山巷道支護的基礎。在進行巷道建設之前,必須進行地質勘探工作,以確定巷道建設的位置和方向。通過對巷道所處的地質條件的詳細調查和分析,確定巷道支護所需的技術和采取的措施,以確保巷道建設的穩(wěn)定和安全[22-26]。

地質勘探技術主要包括地質勘探方法、地質勘探人員的素質、地質勘探設備和地質信息管理系統(tǒng)。地質勘探的方法包括地面勘探和井下勘探。地質勘探人員應具有良好的地質和工程知識,能夠對地質條件進行準確的分析和評估。地質勘探設備應能夠滿足地質勘探工作的需要,如地質雷達、鉆機、地質采樣器等。地質信息管理系統(tǒng)的建立和完善,能夠對地質勘探的數(shù)據(jù)進行收集、處理和分析,為巷道支護提供科學的依據(jù)。

2.2 巷道預處理技術

巷道預處理技術是巷道支護的前置技術,是保證巷道支護質量的重要環(huán)節(jié)。巷道預處理技術包括巷道地質勘探、巷道設計、巷道開挖、巷道清理和巷道檢驗等環(huán)節(jié)。

在巷道開挖之前,應進行巷道地質勘探工作,以確定巷道建設的位置和方向,并對巷道所處的地質條件進行評估。在巷道設計時,應綜合考慮巷道所處的地質條件,確定相應的巷道支護措施。在巷道開挖期間,應按照巷道設計的要求進行開挖作業(yè),確保巷道的穩(wěn)定和安全[27-30]。

巷道清理包括巷道爆破清理和巷道掃浮清理兩部分。爆破清理時,應按照爆破設計要求和安全標準進行操作,避免對巷道產生過度的破壞。巷道掃浮清理時,應使用專業(yè)設備,避免對巷道支護結構的損壞。

2.3 支護材料與設備的選擇

支護材料和設備的選擇是巷道支護中非常重要的一個環(huán)節(jié)。在選擇巷道支護材料和設備時,應考慮到巷道所處的地質條件、巷道的規(guī)模、巷道的使用目的以及不同支護材料和設備的優(yōu)缺點,選擇最適合的支護材料和設備。常用的巷道支護材料包括鋼材、鋼筋混凝土、錨索和噴射材料等。巷道支護設備包括伸縮支架、立柱支架、槍釘錨桿、網(wǎng)片錨桿以及混凝土支護等。

2.4 支護方法的設計與優(yōu)化

支護方法的設計與優(yōu)化也是巷道支護中的重要環(huán)節(jié)。支護方法的設計和優(yōu)化需要對巷道地質條件進行分析和評估,并結合巷道支護材料和設備的選擇,確定相應的支護方法。針對不同的巷道地質條件和支護材料,可以采用不同的支護方法,如錨桿支護、加固注漿支護、鋼架支護等[31-36]。

在巷道支護過程中,要及時對支護質量進行檢驗和評估,確保巷道支護的穩(wěn)定和安全。支護方法的優(yōu)化需要結合巷道支護過程中的實際情況,不斷改進和完善,以滿足巷道支護的需求。

綜上所述,在巷道支護過程中,需要全面、深入地應用這些關鍵技術,確保巷道的穩(wěn)定和安全。同時,也需要不斷地改進和完善支護技術,以適應不同地質條件和支護材料的需求。

3 巷道支護技術在實際工程中的應用

金屬礦山巷道支護是礦山開采中非常重要的工程措施之一。在實際工程中,巷道支護的安全性和可靠性直接關系到礦業(yè)企業(yè)的生產效率和經(jīng)濟效益。因此,開展巷道支護的研究和應用工作具有非常重要的現(xiàn)實意義。

一般來說,巷道支護措施主要包括鋼筋網(wǎng)片噴混凝土支護、錨桿和錨索支護以及噴射聚氨酯支護等。這些支護措施既有適應性強的通用性技術,也有面向特定巖體、巷道類型的專用技術。以噴混凝土支護為例,該技術可以保證支護結構的強度和穩(wěn)定性,減輕巷道變形和開裂的風險,有效保護礦工的安全。同時,噴混凝土支護技術還具有施工方便、適應性強、工期短等優(yōu)點,被廣泛應用于各類金屬礦山巷道支護工程中。另外,錨支護技術也是金屬礦山巷道支護中常用的一種技術。在鋼支撐的幫助下,通過預應力錨桿或錨索把支護結構與地基或巖體牢固地連接在一起,從而增加支護結構的整體穩(wěn)定性和強度(見圖1)。同時,錨桿與錨索技術還可以通過避免巷道擾動、降低巖體變形等方式,有效減少礦山地質災害事故的發(fā)生頻率。

圖1 巷道錨索支護效果

在不同的礦區(qū)中,由于地質環(huán)境和工程條件的不同,巷道支護方案也存在差異。為了保證巷道支護的效果和安全性,不同礦區(qū)需要選擇適合自身特點的支護措施。比如,位于較堅硬巖石區(qū)域的金屬礦區(qū),一般采用噴混凝土支護技術,因為該技術可以有效增加巷道支護結構的強度和穩(wěn)定性,同時減少巷道變形和開裂的風險(見圖2)。而在較軟巖石區(qū)域的金屬礦區(qū),錨桿和錨索技術則更適合用于巷道支護,因為該技術可以增加支護結構與地基或巖體的牢固連接,從而增加整體穩(wěn)定性和強度。

圖2 巷道變形

此外,不同礦區(qū)對于巷道支護的要求也存在差異。比如,在較大規(guī)模的金屬礦山中,由于巷道長度和數(shù)量都比較大,需要考慮施工周期和工效的問題。因此,在這種情況下,噴混凝土技術通常被優(yōu)先采用,因為該技術施工簡便、效率高。

4 金屬礦山巷道支護的發(fā)展方向

4.1 巷道支護的智能化發(fā)展

隨著信息技術和自動化技術的不斷發(fā)展,智能化巷道支護已成為未來的發(fā)展趨勢。智能化巷道支護技術主要包括智能化監(jiān)測、智能化控制和智能化決策三個方面[37-38]。其中,智能化監(jiān)測主要采用傳感器、控制器和通信技術等手段實現(xiàn)巷道支護的全過程實時監(jiān)測,確保巷道支護的安全可靠。智能化控制主要是利用控制技術和自動化技術實現(xiàn)對巷道支護的自動化控制,從而提高巷道支護的效率和精度。智能化決策主要是利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術,對巷道支護的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,提供決策支持,優(yōu)化巷道支護的設計和管理,降低巷道支護的成本和風險。

4.2 綠色環(huán)保的支護技術

隨著環(huán)保意識的不斷提高,綠色環(huán)保的巷道支護技術已成為未來的發(fā)展方向。綠色環(huán)保巷道支護技術主要包括選擇環(huán)保材料、合理使用材料、降低能耗、減少廢棄物等方面。其中,選擇環(huán)保材料是最基本的要求,應優(yōu)先選擇可回收、可再利用、可降解或無毒無害的材料,減少對環(huán)境的污染。合理使用材料是指在施工過程中要合理控制材料的使用量,減少對資源的浪費。降低能耗是指在巷道支護設計和施工過程中要盡可能地減少能源的消耗。減少廢棄物是指要盡可能地減少廢棄物的產生和排放,減輕對環(huán)境的負荷。

4.3 多方位協(xié)同的支護工程

巷道支護在礦山工程中需要與其他環(huán)節(jié)協(xié)同工作,實現(xiàn)多方位協(xié)同。多方位協(xié)同巷道支護主要包括與巷道設計、巷道開挖、巷道運輸、礦山安全等環(huán)節(jié)的協(xié)同[39-40]。其中,與巷道設計的協(xié)同主要是要求巷道設計人員要了解巷道支護的工藝和技術特點,合理設計巷道支護工程;與巷道開發(fā)的協(xié)同主要是要求巷道開發(fā)人員要認真執(zhí)行巷道支護方案,保障巷道支護的施工質量;與巷道運輸?shù)膮f(xié)同主要是要求巷道運輸人員要注意巷道支護的安全,避免對巷道支護造成破壞;與礦山安全的協(xié)同主要是要求巷道支護工程要與礦山安全管理工作協(xié)同,共同維護礦工的生命安全。

5 結論與展望

本文基于對巷道支護研究現(xiàn)狀的調研和分析,總結了巷道支護的發(fā)展歷程、各種支護方法的特點及其在工程實踐中的應用情況,并對未來的研究方向和發(fā)展前景進行了展望。

隨著地下工程施工的不斷發(fā)展,巷道支護方法也在不斷創(chuàng)新和完善。傳統(tǒng)的支護方法如鋼筋混凝土襯砌和錨桿錨網(wǎng)支護在實踐中已經(jīng)得到廣泛應用,其穩(wěn)定性和可靠性得到了驗證。此外,噴射混凝土支護和巖錨帷幕支護等新興支護技術也得到了廣泛關注和應用。這些新技術的出現(xiàn)使得巷道支護工作更加高效和安全,提高了地下工程的質量。

然而,巷道支護領域仍存在一些挑戰(zhàn)和問題。首先,巷道施工中的地質條件千差萬別,科學合理的支護設計和方案選擇依然是一個復雜而關鍵的問題。其次,巷道支護方法的研究還需要更加深入地將理論研究和工程實踐相結合,以探索更加高效和經(jīng)濟的施工技術。此外,巷道支護過程中的施工監(jiān)測和品質控制也需要加強,以確保支護效果的穩(wěn)定性和持久性。

展望未來,首先巷道支護可將新材料和新技術,如納米材料、復合材料和先進檢測技術等,應用于巷道支護領域,進一步提高支護結構的強度和穩(wěn)定性。其次,通過仿真模擬和數(shù)值計算等手段,可以更精確地預測巷道支護結構的行為和性能,為工程設計和施工提供可靠的依據(jù)。再次,加強對巷道支護施工過程的監(jiān)測和管理,建立起完善的質量控制體系,可以提高施工效率和支護質量。最后,巷道支護方法的可持續(xù)性和環(huán)境友好性也是未來研究的一個重要方向,通過減少材料的消耗和能源的浪費,實現(xiàn)低碳和可持續(xù)發(fā)展。