煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术策略探讨

2024-02-13徐世华

当代化工研究 2024年1期

＊徐世华

（天全县天民昂州煤炭有限公司昂州煤矿北矿四川 625599）

巷道是煤矿开采过程中，为满足采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等生产需求而挖掘建设的通道，其施工建设质量与采矿作业的稳定性和安全性息息相关。随着采矿工程的规模化、复杂化发展，巷道掘进与支护施工的技术难度也在不断增大。因此，为更好地保证采矿作业的安全性，施工单位有必要在明确煤矿巷道基本施工特点的基础上，对掘进与支护施工的质量影响因素、主要技术形式和施工要点进行深入探讨，以此进一步提升技术应用规范性和施工建设的质量性。

1.采矿工程巷道施工特点概述

在现代煤矿采矿工程中，巷道施工普遍具有以下特点：（1）安全风险因素多。煤矿采矿工程中的巷道，多设置在煤层区域附近，若煤层中含有瓦斯气体且巷道施工质量不达标，则很容易出现瓦斯气体渗透扩散到巷道中的情况，存在较大的瓦斯爆炸安全风险。又如，部分废弃矿井可能出现水害问题，若巷道施工质量不达标，很容易发生透水安全事故。（2）施工难度大，技术要求高。现代采矿工程具有巷道长度大、采矿作业面多且布设分散等特征，以至于巷道工程的施工体量比以往明显提升。出于施工效率和成本方面的考虑，在实际施工过程中会使巷道穿过一些强度偏弱的煤层或岩层。为了保证巷道结构的可靠性，则需要结合实际情况，科学选择最佳的掘进与支护施工技术。同时，为满足生产需求和安全性需求，需要对巷道进行更为科学、复杂的通风设计，以此保证巷道通风性，避免发生瓦斯爆炸事故。由此可见，巷道施工具有施工难度大，技术要求高的特点[1]。

2.巷道掘进与支护施工的影响因素分析

(1)围岩强度

施工经验表明，围岩强度对于巷道掘进与支护施工的质量性以及巷道结构的稳定性具有直接的影响。“围岩”指的是巷道周围一定范围内，对洞身稳定性有直接影响的岩（土）体。若其强度较大，则自身结构稳定性较好，能够为巷道提供足够的支撑力，保证巷道掘进和使用过程的安全性；反之则容易发生岩体位移、岩石层坍塌等问题，增大巷道掘进和使用过程的安全风险[2]。

(2)巷道断面情况

巷道断面的形状和尺寸也是影响掘进与支护施工安全性以及巷道结构稳定性的一个重要因素。若巷道断面的性质、尺寸设计与实际情况（需求）不符，则会出现巷道结构应力分布不均、结构承载力不足等情况，严重威胁巷道的稳定性和安全性[3]。

(3)地应力变化

地应力变化是对巷道掘进与支护施工影响最为明显的因素。施工过程中，若岩体结构发生较为明显的位移，则会产生较大的地应力，当地应力超过巷道支撑结构最大承受限度时，便会对支撑结构造成破坏，使其出现形变、裂缝，甚至坍塌等问题，从而严重影响巷道施工和使用的安全性。

3.采矿工程巷道掘进技术及其施工要点分析

(1)巷道掘进主要技术

以往，煤矿采矿工程巷道掘进施工主要采用“钻爆法”进行作业，即利用气腿式凿岩机在指定点位打眼，然后利用炸药爆破的方式破碎指定区域内的岩体，以此逐步完成巷道断面和洞室的掘进作业，其主要包含“钻孔”“装药爆破”“通风”“支撑”“出渣清场”五个基本工序。此类掘进技术虽具有技术成熟度高、实用性强、应用成本低等特点，但存在工序复杂、施工效率低、施工材料管理要求高、对围岩稳定性不利等技术弊端，如今已很少使用。随着工程机械技术的快速发展，现阶段煤矿采矿工程中广泛采用综合机械化掘进技术进行巷道掘进施工。

依托现代化工程机械的支持，综合机械化掘进技术能够有效改善传统巷道掘进技术的不足，不仅能够显著提升掘进施工的效率和安全性，还能够很好地满足大断面煤巷的掘进施工需求。目前，该掘进技术应用过程中，主要用到转载机、锚杆钻机、悬臂式掘进机、连续采煤机等机械设备，通过多种现代化工程机械设备的综合运用，对截割、装载、运输等工序进行整合，以此全面提高掘进作业的速度和质量[4]。

(2)掘进施工要点分析

①做好地质勘探工作

鉴于围岩强度、地应力等因素对于巷道掘进与支护施工具有显著的影响。为保证巷道掘进施工能够顺利、安全、高效的开展，施工单位必须重视并做好施工区域地质勘探工作。具体实践过程中应注重以下要点的把握：首先，需要委托专业水平高、实践能力强、工作经验丰富的地质勘查机构来完成地质勘探工作，以此确保勘探结果的准确性。其次，要明确勘探工作范围并细化勘探内容。应要求勘探机构将采矿工程所在区域的整个山体及其周围区域全部纳入到地质勘探范围内，同时从岩石、地层、构造、水文、地貌等层面出发，对勘探内容进行细化，以此确保勘探内容的全面性和细致性。最后，根据勘探报告对巷道掘进施工区域的地质情况（如：围岩强度、地下水分布、持力层承载力等指标）进行科学评估，在此基础上提出科学合理的掘进施工方案和技术措施。例如：当围岩强度不足时，可利用超前注浆技术在掘进施工前对围岩进行加固，以此达到堵塞水流、提升围岩强度和结构稳定性的目的，确保巷道掘进施工的安全性[5]。

②优化施工机械配置

为提升综合机械化掘进技术的应用水平，确保巷道掘进施工得以持续、高效地进行，施工单位需要在综合考虑巷道断面特征、现场环境、施工需求等多种因素的基础上，做好施工机械设备的配置工作，合理优化机械设备的配置方案，以便为掘进施工提供有力保障。例如：在选择掘进机时，应从巷道断面倾倒、施工区域地质情况、工程实际施工标准等出发进行科学考量。若巷道断面偏大、破岩难度偏高，则优先选用大功率重型掘进机械设备，确保能够顺利完成掘进任务；反之，在可确保掘进设备工作性能满足施工需求的基础上，优先选择轻型掘进设备，因为此类机械设备不仅采购（租赁）成本较低，而且更具作业灵活性。此外，施工单位还需根据岩石硬度、岩层结构等信息，合理选择掘进机的截割头结构及运行功率，在确保机械设备作业效率的同时，降低故障几率，保证掘进施工的效率和质量。

4.巷道支护技术及其施工要点分析

(1)巷道支护主要技术

应用到我国煤矿掘进施工支护中的技术类型较多，在具体的实践中，要结合巷道的实际情况，选择匹配性较强的支护方案和支护技术类型，现有支护技术分类如表1所示。

表1 采矿工程巷道支护技术分类

目前，煤矿采矿工程中常用的巷道支护技术有：

①锚杆支护技术。该技术的应用能够有效提升巷道围岩结构的承载能力，具有支护效果好、适用性强、稳定性高等应用优势。在现阶段的巷道掘进与支护施工中，通常将该技术与注浆加固支护技术联合使用，即先利用锚杆支护技术修复破损巷道结构，再对巷道结构进行注浆加固，这样可有效避免结构裂缝的产生，获得更好的支护加固效果。同时，锚杆支护技术还能够有效预防底鼓问题的发生，尤其是巷道底板底鼓问题。例如：在对深部巷道围岩进行支护时，通常采用沿空掘巷组合锚杆支护结构（见图1）。

图1 沿空掘巷组合锚杆支护结构示意图

②棚式支护技术。棚式支护是一种广泛使用的巷道支护技术，其具有应用便捷、成本低、稳定性良好、实用性强等诸多优势。该技术应用过程中，需要准确掌握围岩状态，了解围岩移近量及相关指标参数，然后利用数据分析、概率分析等数据处理方法，对巷道预期围岩移动量数值进行科学计算，在此基础上，结合巷道埋深、顶板岩层平均单向抗压强度、底板岩层平均单向抗压强度值等施工参数，对支护架承载力、棚距等技术参数进行合理确定，以此确保支护效果。

③卸压增阻弱结构补强支护技术。该支护技术多用于巷道掘进施工前，其作用原理为：利用钻孔卸压和煤层注水方法的技术手段，提升煤体的摩擦力及自身黏结力，以此产生卸压增阻的效果，一定程度上提升煤体结构的稳定性，保证巷道掘进的安全性[6]。

(2)支护施工要点分析

①明确技术参数指标

在进行巷道支护施工时，施工单位应结合现场实际情况，明确技术实践应用时的具体参数指标，以此确保支护施工的质量性以及技术应用的科学性。以棚式支护技术的实践应用为例，若巷道围岩非常稳定，顶底板预计位移率＜5%时，宜采用刚性锚杆支护，锚杆设置间距为1m，单根锚杆的锚固力控制在50～70kN范围内，布设密度控制在每平方米1根；若巷道顶底板预计位移率在5%～10%之间，宜采用刚性锚杆（金属支架）支护，锚杆设置间距为0.8m，单根锚杆的锚固力控制在50～70kN范围内，布设密度控制每平方米1根～1.2根；若巷道顶底板预计位移率在10%～20%之间，宜采用拱形或梯形可伸缩支架进行支护，棚距宜控制在0.6～0.8m范围内，垂直方向可伸缩量控制在200～400mm之间，布设密度控制每平方米1.2根～1.5根等[7]。

②复杂条件下支护技术的运用

随着我国采矿行业的不断发展，煤矿矿井的深入和规模不断提升。在深井巷道掘进施工过程中，难免会遇到较为复杂的环境条件，此时采用单一类型的支护技术很难满足施工生产安全性的需求，往往需要多种智慧技术的整合运用。例如现阶段较为常见的组合式支护技术有：A.二次锚网喷支护技术，即巷道掘进过程中，先利用高强度锚杆或可伸缩锚杆对围岩进行一次支护，待围岩达到一定变形量后再利用锚网喷技术进行二次支护，该技术既能够保证巷道掘进的施工效率，又能够有效应对复杂情况提供更有力的支撑保护；B.“锚索+钢带支护+喷射加钢丝”混合支护技术。通过多种支护技术的整合运用，有效应对复杂的围岩结构条件，不仅能够获得出色支护效果，有效保证施工生产的安全性，还能够一定程度上减少后期起底的任务量。