復雜地質條件下煤礦巷道掘進支護技術的應用淺談

邢海波+馬琳

摘 要：隨著我國的快速發展，人們對煤炭資源的需求與日俱增，煤炭資源開采強度越來越大。同時，煤礦開采技術的優化和創新也從未間斷。在復雜地質條件下，煤巖性質和地質構造是影響煤礦巷道成巷的兩大因素。根據巷道所處的煤巖性質及地質構造，采用切合現場實際的掘進設備和掘進支護技術是煤礦巷道掘進施工中的根本措施。正確的掘進支護技術可以使巷道施工更加安全、高效、高質量。基于此，本文分析了在復雜地質條件下，煤礦巷道掘進支護技術的應用。

關鍵詞：煤炭開采；掘進支護技術；復雜地質條件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.101

1 煤礦掘進地區的地質條件

1.1 地質構造

地質構造是指在地層內、外應力作用下，巖層（煤層）或巖體發生變形、位移或斷裂而產生的地質形態。主要分為水平構造、傾斜構造、斷裂和褶皺。在復雜地質條件下，斷層落差、斷層走向、煤層賦存變化萬千，各種地質構造難以預測。特別是在臨近地質構造時，由于掘進、采動及支護等擾動影響而導致圍巖應力重新分布，同時，受淋水、風化等物化反應，煤巖性質發生改變，及時根據現場實際情況改變掘進支護技術參數和掘進設備才能保證巷道掘進的安全和高效。

1.2 煤巖性質

煤礦巷道掘進時，巷道原始應力平衡被打破，引起圍巖應力的二次分布，巷道頂板、底板、兩幫煤巖發生形變和位移。特別是在軟巖和具有煤巖突出特性的煤巖中進行巷道掘進時，煤巖形變和位移更加劇烈和明顯，要特別注意加強巷道支護的監測和管理，及時更改技術參數。

軟巖由于含有大量高嶺石、蒙脫石等遇水易膨脹的礦物質，其自身強度低，遇水后在水理作用下，軟巖強度會進一步降低。因此，軟巖巷道會隨著時間的推移，在地應力、水平應力以及水理作用下，巷道兩幫凸出、底鼓變形嚴重。

煤巖突出多發生在地質構造帶附近，在巷道開掘后，巷道圍巖應力重新分布，在地應力和瓦斯的共同作用下，煤、巖石和瓦斯在極短時間內向自由區噴出或釋放。尤其在頂底板巖性致密硬度高、煤層硬度低、高瓦斯、高低壓的巷道中多發。

2 煤礦掘進的技術難點及對策

復雜條件下巷道掘進有諸多難點。在這里主要分析軟巖條件下的巷道掘進和支護難點和采掘應力擾動區內巷道掘進和支護難點。

2.1 軟巖條件下的巷道掘進和支護難點

軟巖巷道會隨著時間的推移，在地應力和水理作用的影響下，巷道圍巖發生大位移現象，主要表現為底鼓、兩幫凸出。當巷道設計參數不合理或巷道支護參數等技術參數不合理時，會大大增加巷修工作量，妨礙煤礦運輸、通風和交通，若不及時修正，將對煤礦安全生產造成極大威脅。

軟巖巷道底鼓分為擠塑性底鼓和膨脹性底鼓。擠塑性底鼓是軟巖在水平應力擠壓下緩慢擠壓凸出。膨脹性底鼓是軟巖中的膨脹性礦物質在水理作用下產生膨脹，在應力擴容機制下巖體體積增大。當巷道中有積水時，兩種底鼓會相互促進，造成惡劣循環。

對上述兩種變形，根據情況首先可采用增加底角錨桿支護和底板錨桿限制巷道變形。其次，可將巷道斷面設計增加反底拱設計。最后，從改變圍巖應力分布角度入手，在軟巖巷道旁開挖泄壓槽或充填區，使自由區巷道應力降低。

2.2 采掘應力擾動區內巷道掘進和支護難點

在采掘應力擾動區內，巷道掘進過程中冒頂垮落的風險以及沖擊地壓發生的頻率和烈度比原巖應力區高很多。在應力擾動區內，巷道掘進主要受兩種形式的應力破壞。第一種是單次大能量應力沖擊，比如煤巖突出和沖擊地壓，它會瞬間破壞巷道原有支護，對巷道造成毀滅性破壞。第二種是循環疊加應力，比如周期來壓和循環炮掘，單次應力強度不大，但經過多次循環和疊加后，巷道的支護材料會產生疲勞損傷，材料強度降低，從而導致巷道變形或冒頂垮落。

在應力擾動區內，巷道掘進技術參數和設備要根據現場應力類型，確定巷道支護技術參數和設備材料類型。

3 復雜地質條件下煤礦巷道掘進支護技術的應用要點

3.1 合理設置相關設備、材料的參數

煤礦巷道掘進機械設備主要有耙裝機、綜掘機、掘錨機、TBM等。為保證各種設備在掘進過程中發揮最大的作用，就要根據現場實際的掘進環境選擇相應的機械設備件。因為耙裝機、綜掘機、掘錨機、TBM等設備都有自身的工作臨界點，只有全面地進行地質分析，才能使設備可以在臨界點以內正常工作，保證掘進生產的順利進行。

目前煤礦巷道掘進支護材料主要包括各種主動支護材料，如錨、梁、索、網等，以及各種被動支護材料，如木柱、單體支柱等。在確定支護材料類型前，要綜合分析地質環境、應力屬性以及采用的掘進技術類型，然后確定采用何種支護材料。只有當支護材料符合支護技術要求時，巷道質量才有保證。

3.2 采用先進的技術手段及機械設備

隨著淺層煤炭資源的枯竭，煤礦開采重點逐漸轉向1000～2000m區間內的深部煤炭資源。采深的增大導致一系列的技術難題。在這一采深，圍巖性質不在與淺部圍巖性質相同，例如圍巖出現流體現象和高頻率、高烈度的沖擊地壓。加之各種復雜的地質條件，使得現有的淺部煤礦巷道支護技術和機械設備難以滿足大采深的巷道掘進需求。

目前，國內外比較先進的深部巷道掘進技術包括恒阻大變形或耦合大應力錨索（桿）技術、動態耦合支護技術、U型鋼架配合錨網索噴支護技術等。而目前先進的掘進設備包括各種綜掘機、掘錨機以及TBM等。根據現場實際條件，積極采用各種先進技術手段和機械設備，才能提高巷道掘進效率和巷道支護質量。

通過本文的分析，可知在復雜地質條件下，煤礦巷道掘進過程中存在各種難點和要點，全面正確的分析巷道圍巖環境和地質條件，準確找出巷道掘進過程中的影響因素，針對性的采用新技術、新手段、新設備。同時加強監測監控，當巷道環境發生變化時，及時調整技術或設備參數等，才能確保煤礦巷道掘進的安全施工和支護質量。

參考文獻：

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