復雜地質下的煤礦采煤掘進支護技術及實踐探析

孫建立

（開灤(集團)有限責任公司設備管理中心，河北 唐山 063000）

現(xiàn)代社會環(huán)境下，煤礦企業(yè)在煤礦開采工作中面臨著兩個重要的考慮因素：工作效率和整體成本。煤礦開采的安全作業(yè)不僅影響著工作效率，也直接關系到開采成本。其中，井下掘進是至關重要的工作內容。由于地質條件復雜，煤礦數(shù)量相對較多，為整體開采工作帶來了很大的難度，煤礦企業(yè)更應該重視掘進支護技術，并認識到復雜地質條件下煤礦開采的困難，合理應用這些技術于實際工作中，最大限度地保障作業(yè)的安全性。

1 復雜地質環(huán)境下的煤礦采煤環(huán)境

在煤礦開采掘進的過程中，隨著長度和深度增加可能會面臨如斷層、褶皺等導致煤層走向不穩(wěn)定、煤層錯斷；巖石力學性質不均一出現(xiàn)軟弱帶、圍巖崩落；地下水涌出、滲漏，影響采煤作業(yè)等問題[1]。因此，在面對復雜地質環(huán)境的煤礦采煤過程中，需要進行詳細的地質勘察和分析，制定相應的采煤與支護方案，合理選擇采煤設備和技術，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

2 復雜地質環(huán)境下影響煤礦采煤掘進支護的因素

2.1 挖掘礦井道路的影響

一方面，巷道的形狀和結構受到外力的影響發(fā)生變形，導致巷道呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)。在復雜地質環(huán)境下，變形帶來的不規(guī)則形態(tài)將導致支護材料的選擇和應用變得困難，而巷道寬度的變化也可能影響支護設備的選擇和適應性，使其難以完全充填巷道空間，保持長久的支撐力。另一方面，如果巷道變形過大或支護不當，可能發(fā)生坍塌或者破裂，對工作人員和設備的安全構成威脅。因此，在巷道設計和建設過程中，必須充分考慮地質環(huán)境以及巷道本身的特征，確保巷道的穩(wěn)定性和安全性。[2]

2.2 設備產(chǎn)生的影響

在復雜地質環(huán)境中，僅僅依靠過時的設備或者未經(jīng)充分考慮地選用設備，將無法真正發(fā)揮掘進支護技術的效果，甚至可能因設備故障而嚴重限制其正常運行。正如船工需選擇合適的船槳來應對大浪，選擇掘進支護技術時也需要謹慎挑選適合的工具，因此技術人員需要全面了解地質條件、巷道特點、需求和可行性，確保設備將能夠適應變化莫測的地質條件，穩(wěn)健地支持掘進工作，助推施工流程的順暢進行。[3]

3 復雜地質條件下煤礦開采現(xiàn)狀研究

3.1 地質基礎條件

我國的煤礦多數(shù)分布在老礦區(qū)，這些地方的地質環(huán)境因為長時間的開采而逐漸復雜，大地壓力和斷層等問題的存在，嚴重影響了煤礦的開采作業(yè)。[4]

首先，煤礦開采所形成的巨大空洞會使地下巖層發(fā)生塌陷和變形，產(chǎn)生大地壓力，導致巖層的斷裂和錯動，使得開采作業(yè)更加復雜和危險。同時，斷層的存在會導致礦井地質體的不連續(xù)性，增加了開采過程中的不確定性和風險。其次，老礦區(qū)的煤礦常常伴隨著地下水系統(tǒng)的存在，而地下水的流動和存儲情況受到地質構造和巖石性質的影響，給礦井內的排水工作帶來更大的挑戰(zhàn)。最后，水文地質的復雜性也產(chǎn)生煤礦封閉和排放廢水等環(huán)保問題，亟需更加精細的處理手段和嚴格的監(jiān)管措施。

3.2 掘進技術條件

隨著開采深度的增加，頂板巖性從堅固穩(wěn)定轉變?yōu)榇嗳跻姿椤r層斷裂的發(fā)生頻率增加，給支護工作增添了更高的困難，對支護技術的要求愈發(fā)嚴苛，開采深度的增加還導致起拱圍巖應力增大；起拱圍巖應力的增加使得煤層和巖層之間的接觸壓力增大，容易導致巖層起拱；復雜的地質條件常常導致巷道的斷裂，對巷道的穩(wěn)定性和安全性構成威脅，亟須采取支護措施來確保巷道的穩(wěn)定。[5]

4 案例分析

4.1 某一礦區(qū)礦井巷道底鼓支護

根據(jù)礦井中1 號井東運輸中巷斷層間接底板巖石施工出現(xiàn)的問題，可以采用以下解決方案。

1.隔水層鋪設：采用隔水層鋪設的方案，可以根本解決底板由膨脹性礦物遇水膨脹而產(chǎn)生的問題。隔水層的使用能夠有效隔離水分與膨脹性礦物的接觸，消除膨脹的可能性。

2.底角錨桿：底角錨桿可以有效增強巷道結構的穩(wěn)定性，提高地質體的整體強度，其為巷道提供額外的支撐力，能夠有效預防底鼓問題的發(fā)生。

3.加固巷道幫角：采用鋼筋和混凝土等材料，為巷道幫角提供更牢固的支撐，能夠提高巷道結構的穩(wěn)定性，預防底鼓問題的發(fā)生。（如圖1）

圖1 巷道底鼓支護（單位：mm）

4.2 巷道圍巖遇水膨脹原因

1.巷道底板膨脹的原因，可追溯于其中所含的特殊礦物質，諸如高嶺石和蒙脫石。在干燥的環(huán)境中，這些礦物質保持穩(wěn)定，不會發(fā)生變化，當水分滲透到地下，與這些礦物質相互作用時，它們開始逐漸轉變。水分子進入了礦物質間的微觀空隙，由于分子之間的相互作用，這個過程會擴散到周圍的區(qū)域，逐漸引發(fā)了巷道底板的膨脹現(xiàn)象。

2.在高應力環(huán)境下，巷道底板鼓起問題的本質是由軟弱巖層或破碎帶巖石流動性破壞引起的。巷道底板通常由軟弱碎泥巖組成，而頂部巖體的強度較高。當巖柱承受著來自巖體和地應力的擠壓力時，底板巖體會持續(xù)遭受擠壓，最終導致底鼓現(xiàn)象的出現(xiàn)。高應力環(huán)境使巖石的物理特性和力學行為發(fā)生了顯著變化。應力的集中會使軟弱巖層受到更大的壓力，隨后逐漸變形。底板巖體受到長時間持續(xù)的擠壓，使得原本松散的碎泥巖發(fā)生變形，并且滲透水分，削弱其結構，導致了巷道底板巖體的強度下降和破碎帶的形成。當?shù)装鍘r體逐漸變得脆化和疏松，其抗擠壓能力顯著降低。巖體中存在的微細裂隙和破碎帶會被擠壓進一步擴展，導致巖石流動性增加。在巨大的應力作用下，底板巖體不能承受外部壓力，隨之產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。

3.過去普遍采用樹脂螺紋鋼錨桿作為開放式底板支護方法，并在其上鋪設鋼筋網(wǎng)，最后噴涂150mm 厚度的C30 混凝土。這種方法在一定程度上能夠控制變形問題，然而，由于底板的支護能力有限，難免會發(fā)生一定程度的形變，而缺乏有效的支護措施，其在變形過程中難以得到有效的控制。

5 煤礦采煤掘進支護技術的實際運用

5.1 直接破頂技術

直接破頂技術旨在通過破碎巖層和使用穩(wěn)定性材料來實現(xiàn)最大程度的破碎效果，并確保有效地應用錨網(wǎng)索支護技術。為此，須借助先進的巖石力學模型和地質探測技術，對巖層的穩(wěn)定性進行精確評估，深入了解巖石的物理性質和組成結構，采用最合適的沖擊能量和頻率，最大程度地降低巖層的脆弱性，確保掘進過程的穩(wěn)定性。優(yōu)化直接破頂技術的工藝流程須運用先進的機械設備和自動化控制系統(tǒng)，精確地控制沖擊力度和方向，避免破碎過度，影響巖層的穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)的方法相比，直接破頂技術在施工過程中減少了風險和延誤，通過科學的評估和策略，作業(yè)人員能夠根據(jù)實際情況進行適應性調整，確保掘進過程的安全和效率。

5.2 后退臥底技術

首先，后退臥底技術最為顯著的優(yōu)勢是確保施工的牢固性和整體性，具有應對復雜多變的地質條件的能力。后退臥底技術能夠針對不同地質特征，指導作業(yè)人員應對各種挑戰(zhàn)，如地層錯動、高巖壓及巖爆等，確保礦井開采過程的順利進行。

其次，后退臥底技術為管理人員提供了更大的決策空間。借助這種高級技術，管理人員在施工過程中可以對支護方案進行精細調整，并及時應對地質條件的變化，以提高施工質量，減少對環(huán)境的影響，提高工程效率，優(yōu)化資源利用效率。

5.3 U 鋼法

在煤礦資源開采過程中，如何有效地應對斷層落差增大所引發(fā)的煤層坍塌問題直接關系到作業(yè)人員的安全。為此，技術人員采用被稱為“U 鋼法”的臨時支護技術，提前構建堅固的支護結構，確保礦井的穩(wěn)定性。

具體而言，“U 鋼法”臨時支護技術指的是在煤礦開采過程中，技術人員根據(jù)地質條件和預測的斷層落差，提前布置和安裝U 形鋼材，構建起可靠的支撐結構。這種支護結構具有強大的抗壓能力，可以有效地分散地壓力，減輕煤層坍塌的風險。

“U鋼法”臨時支護技術具有快速部署、調整的優(yōu)勢，因其結構設計合理，安裝便捷，技術人員進行支撐結構的布置和調整相對容易，具有靈活性。這種靈活性使得在煤礦開采過程中能夠及時應對地質條件的變化，有效保障作業(yè)人員的安全和礦井的穩(wěn)定性。

相較于其他支護方法，“U 鋼法”臨時支護技術還具有經(jīng)濟效益，該技術所需的材料和設備成本相對較低，且施工過程相對簡便，能夠以更低的成本、更大的力度保證礦井安全。

6 復雜地質條件下如何提高煤礦掘進支護效果

6.1 掘進支護方案的優(yōu)化

在復雜的地質條件下，傳統(tǒng)的剛性支護方案逐漸顯現(xiàn)出不足，為應對這一挑戰(zhàn)，煤礦企業(yè)提出了“先讓后抗”的策略。在處理深度巷道時，一種常見的做法是結合運用U 型鋼閉合環(huán)和錨網(wǎng)索支護技術。通過在初期支護階段采用錨網(wǎng)索支護的方式，給予圍巖變形一定的時間和空間。隨后，引入U 型鋼閉合圈并通過卡纜連接固定。這種設計的優(yōu)勢在于，當圍巖發(fā)生變形時，閉合圈也能相應變動，需因地制宜地選擇不同的掘進支護方案。

6.2 應用臨時支護技術

綜掘機倚仗著其鋒利而堅固的工作能力，依靠穩(wěn)定的液壓系統(tǒng)以實現(xiàn)充滿挑戰(zhàn)的任務，液壓鎖作為關鍵技術被廣泛采用于臨時支撐，確保著掘進工作的安全穩(wěn)定。現(xiàn)代液壓鎖通過高強度材料和精密的工藝制造，具備了更高的承載能力和抗沖擊性，為煤礦掘進提供了更加可靠的臨時支撐措施。液壓鎖巧妙地利用了液體的性質，通過準確的液壓調節(jié)和精確的控制，針對不同的工作情況提供穩(wěn)定而靈活的支撐，使得工作在惡劣環(huán)境中也能夠順利進行。同時，精確的控制系統(tǒng)和智能化的監(jiān)測裝置也為液壓鎖的操作和維護提供了更大的便利，保障了煤礦作業(yè)的安全與穩(wěn)定。

6.3 掘進機選擇

施工人員需要充分了解開采地區(qū)的地質情況，以進行準確監(jiān)測和評估。根據(jù)地質條件、輸送機液壓和支架等因素，選擇最適合的掘進機能夠提高施工效率并確保安全性。

在薄煤層的情況下，其厚度介于0.8m～1.3m 之間，并且截高不高于0.9m。在這種情況下，騎槽式掘進機成為理想的選擇。騎槽式掘進機能夠通過其精確的切割和擠壓技術，以確保開采的穩(wěn)定性和高效性。

對于中厚煤層，其厚度范圍在1.3m～3.5m 之間。這種情況下，大功率采煤機能夠滿足開采的需求。大功率采煤機以其強大的動力和廣泛適應性，能夠有效地開采中厚煤層，提高開采效率和產(chǎn)量。

當面對厚煤層，其厚度超過3.5m 時，采取大采高綜采方式才能進行掘進施工。大采高綜采方式結合了多種工程機械和技術手段，能夠應對極具挑戰(zhàn)性的厚煤層開采任務。

7 采煤掘進支護技術的發(fā)展前景

在煤礦采煤掘進支護技術領域，企業(yè)要以監(jiān)測井下巷道圍巖地質力學環(huán)境為基礎，確保工作面的安全開采。首先，深入研發(fā)適應不同地質條件的支護材料和構件。這些材料和構件必須能夠承受極高的地壓，確保巷道的穩(wěn)定性和持久性，不斷提高支護技術的水平。其次，創(chuàng)新和研發(fā)高精度的設備，使得采煤掘進工作能夠更高效地進行。以巷道的特殊類型為切入點，積極探索和創(chuàng)新支護技術，解決各種巷道所帶來的挑戰(zhàn)，無論是面對曲線巷道、斜井還是涌水巷道，相關企業(yè)都需要持續(xù)推動技術的進步，確保煤礦的安全開采。

8 結語

我國的礦區(qū)大多是老礦區(qū)，隨著開采的深入，開發(fā)工作變得更加困難。可見，在復雜的地質條件下，合理應用煤礦掘進支護技術至關重要。基于此，本文針對復雜地質環(huán)境下煤礦采煤掘進支護技術進行深入研究，并分析其存在的問題，給出相關建議，以期提升煤炭開采技術人員水平，確保煤礦開采的安全和有效性。