劉 宇

（江西鐵山垅鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 342300）

當(dāng)前，礦區(qū)巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展十分迅速，取得了較好的研究成果。通過(guò)深入分析支護(hù)作用原理，了解礦區(qū)復(fù)雜困難巷道支護(hù)處理難題，能夠提高礦區(qū)巷道支護(hù)的整體水平。因此，需要探尋控制礦區(qū)巷道壓力狀況的有效策略，獲得更好的支護(hù)效果。

1 上坪礦區(qū)巷道支護(hù)及壓力控制現(xiàn)狀分析

上坪礦區(qū)多采用澆筑型混凝土材料，耗費(fèi)成本較高，使用過(guò)程中具有較大的限制性。上坪礦區(qū)土壤較軟，地質(zhì)狀況較差，土壤高齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道的穩(wěn)定性較差，使得采礦區(qū)域面臨著較大的挑戰(zhàn)。在高齡化土壤地段有效控制巷道的壓力狀況是重難點(diǎn)，尤其是對(duì)于采礦區(qū)地質(zhì)較差及高嶺土化區(qū)域而言。

圖1 高齡化土壤地段巷道支護(hù)

在局部壓力大的巷道用低強(qiáng)度的坑木支護(hù)往往達(dá)不到巷道所需的防護(hù)要求，只能做為前期施工的安全措施，或短期使用，過(guò)后仍需采用較高強(qiáng)度的混凝土支護(hù)。在使用一段時(shí)間后又要返修、部分墻體或頂板垮蹋甚至報(bào)廢，這是礦區(qū)現(xiàn)階段安全支護(hù)的現(xiàn)狀。

圖2 礦區(qū)安全支護(hù)圖

圖3 采礦區(qū)巷道切割圖

礦區(qū)部分切割、采準(zhǔn)等巷道服務(wù)周期短，但又在高嶺土化脈帶或軟礦體中，受壓力影響大，需要進(jìn)行維護(hù)、這類(lèi)巷道維護(hù)成本高，維護(hù)的投入產(chǎn)出比相當(dāng)?shù)汀，F(xiàn)階段如何控制好巷道支護(hù)的強(qiáng)度，合理使用維護(hù)材料，做到即經(jīng)濟(jì)又合理，并達(dá)到技術(shù)上的要求，是目前礦區(qū)采礦工作的技術(shù)難題難點(diǎn)。

2 上坪礦區(qū)地下工程巷道的特點(diǎn)

開(kāi)拓巷道、采準(zhǔn)巷道、生探沿脈巷道及切割巷道是常見(jiàn)的地下礦山類(lèi)型，礦區(qū)也是這樣。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，巷道會(huì)經(jīng)歷起直到閉坑的過(guò)程。為了縮短施工時(shí)間，可以采用切割巷道的方式。切割巷道之后，會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)性巷道，只有一次使用壽命，經(jīng)歷開(kāi)采、出礦之后便會(huì)報(bào)廢，導(dǎo)致巷道的服務(wù)時(shí)間較短，投入值與產(chǎn)出值之間的比值較小。通常情況下，需要根據(jù)實(shí)際使用時(shí)間確定支護(hù)成本，避免出現(xiàn)過(guò)多投入的現(xiàn)象。巷道容易受到開(kāi)采過(guò)程的影響，發(fā)生斷層的概率較高，高齡化的礦體也會(huì)影響其他巷道的安全性，變形及倒落現(xiàn)象發(fā)生的概率較高，耗費(fèi)了較高的維修成本，使用價(jià)值較低。分層巷、電耙道、底部結(jié)構(gòu)的沿脈巷、裝礦巷道是此類(lèi)巷道的主要類(lèi)型，容易受到外界爆破力量及出礦過(guò)程的影響，導(dǎo)致礦體遭到了嚴(yán)重的破壞。經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的維護(hù)過(guò)程，仍然需要二次支護(hù)、返修等操作，確定坑木支護(hù)和維護(hù)土建工程的重點(diǎn)位置，擴(kuò)大工程施工區(qū)域。通過(guò)分析礦區(qū)的實(shí)際作業(yè)情況，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)作業(yè)點(diǎn)多屬于掩體強(qiáng)度較低的區(qū)域。

3 礦區(qū)的地質(zhì)與支護(hù)關(guān)系概況

在采礦區(qū)范圍內(nèi)，巖石類(lèi)型多為寒武系變質(zhì)砂巖、夾板巖等，穩(wěn)固性位于中等水平，斷層及節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育狀況良好，F(xiàn)3沿脈斷層沿礦區(qū)Ⅰ帶南側(cè)邊緣貫穿整個(gè)礦帶，Ⅰ帶中部一條NE向緩傾斜斷層F2將Ⅰ帶南北錯(cuò)動(dòng)20余米。采礦區(qū)礦脈以及部分填充著高嶺土節(jié)理發(fā)育區(qū)域中的軟土礦層構(gòu)造具有明顯的風(fēng)化特征。在穩(wěn)定溫度及濕度環(huán)境中不容易遭到風(fēng)化作用，但在空氣中暴露較長(zhǎng)時(shí)間之后，風(fēng)化速度便會(huì)加快。尤其是在斷層、節(jié)理發(fā)育范圍，斷層節(jié)理、裂隙中區(qū)域風(fēng)化特別嚴(yán)重壓力顯現(xiàn)也很快，造成礦體的穩(wěn)固性急劇降低，導(dǎo)致在采礦范圍內(nèi)的井巷工程需支護(hù)維護(hù)的特別多，而且多數(shù)為只使用一次的工程，如電耙道斗穿、分層巷的支護(hù)，使用期短，還需返修。這些巷道有些僅需對(duì)抗頂板壓力，有些需要應(yīng)付高嶺土風(fēng)化膨脹帶來(lái)的壓力，有些需要應(yīng)付采動(dòng)地壓及采區(qū)爆破等外力的影響保障巷道的安全使用。

4 影響巷道礦體壓力的地質(zhì)因素

地質(zhì)因素、開(kāi)采過(guò)程影響、支護(hù)技術(shù)選擇等都會(huì)影響礦層的壓力分布狀況。常見(jiàn)的地質(zhì)影響因素可以敘述如下。

4.1 原礦應(yīng)力狀態(tài)

原巖應(yīng)力會(huì)對(duì)周邊礦層產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，引發(fā)礦層變形狀況，力度大小與開(kāi)采深度相關(guān)。在礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中，隨著深度的增加，巷道礦體壓力的大小及方向都會(huì)產(chǎn)生較大變化。原始礦層中的主應(yīng)力大小與方向具有較大差別，可能會(huì)對(duì)航道產(chǎn)生不同程度的影響，改變了巷道的壓力分布狀態(tài)。

4.2 礦體力學(xué)性質(zhì)

礦體強(qiáng)度屬于力學(xué)性質(zhì)的重要部分。例如，礦層的抗壓能力、抗拉能力與內(nèi)摩擦角大小等都屬于力學(xué)性質(zhì)范疇。若礦體的強(qiáng)度較小，則其內(nèi)部壓力通常較大；若礦體的強(qiáng)度較大，則其內(nèi)部壓力通常較小。對(duì)于內(nèi)摩擦角數(shù)值較大的巖層，內(nèi)部壓力較小。粘聚力大小會(huì)對(duì)內(nèi)摩擦角數(shù)值產(chǎn)生較大影響，在彈性與可塑性的綜合影響之下，會(huì)引發(fā)礦體產(chǎn)生變形狀況。礦層的可塑性與流動(dòng)性也會(huì)產(chǎn)生其內(nèi)部壓力分布狀況。部分巷道的內(nèi)部壓力較大，通常與礦體的可塑性質(zhì)有關(guān)。

4.3 礦體結(jié)構(gòu)

若礦體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度，則該結(jié)構(gòu)分布狀況會(huì)對(duì)礦層壓力產(chǎn)生較大影響。弱面是產(chǎn)生礦層破壞的初始位置，也是礦體壓力發(fā)生巨大變化的主要原因，如斷層、發(fā)育區(qū)等位置處。層狀的礦層具有定向若面的特征，礦體周?chē)拿芏葼顩r與其傾斜角大小具有密切關(guān)聯(lián)。若礦層的平行位置和巷道走向的夾角較小，將會(huì)造成礦層松動(dòng)的后果，增加了礦體結(jié)構(gòu)為內(nèi)部的應(yīng)力水平。傾角較小的礦層具有較高的穩(wěn)定性，頂壓狀況良好。

4.4 膨脹壓力的影響因素

影響膨脹壓力的因素主要有礦體的組成與膠結(jié)狀態(tài)，物理化學(xué)性質(zhì)，圍巖中水分的補(bǔ)給狀況，水與礦體的接觸條件，支護(hù)和充填層的可塑性等。

礦體組成成分與膠結(jié)狀態(tài)都是影響膨脹壓力大小的重要因素。親水性較強(qiáng)的礦物質(zhì)會(huì)使得粘土層膨脹作用變強(qiáng)。高嶺土中具有大量的水分，可以使得礦層晶結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)的土發(fā)育成為水化層。經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用之后，礦體會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞跡象。再次與水結(jié)合之后，會(huì)吸收礦體中大量的水分，增加了礦層周?chē)さ木唧w厚度。顆粒結(jié)合的過(guò)程會(huì)釋放出大量的水分，產(chǎn)生了較大的楔壓力，加快了礦層結(jié)構(gòu)的崩潰與瓦解進(jìn)程。為此，為了保持礦體的穩(wěn)固性，需保持礦體濕度不變，避免其浸水，減弱風(fēng)化作用影響。

其次，圍巖應(yīng)力狀態(tài)也是影響膨脹壓力的重要因素。礦體的應(yīng)力狀況會(huì)影響其吸水狀況。若礦體的應(yīng)力較高，其膨脹總量較小；若礦體的應(yīng)力較低，其膨脹總量則會(huì)較高。在開(kāi)挖礦區(qū)之前，需要確定膨脹因素的應(yīng)力狀態(tài)，改變徑向應(yīng)力狀況，有效規(guī)避礦體的膨脹狀況。通常情況下，礦體應(yīng)力降低幅度與膨脹壓力增高幅度相關(guān)。

最后，水分滲入圍巖的深度與范圍是影響膨脹壓力的重要因素。地下水及縫隙水是礦體水分的重要來(lái)源，水分含量可能會(huì)對(duì)膨脹壓力狀況產(chǎn)生較大影響。水分滲入礦體的深度及范圍大小與水分補(bǔ)給類(lèi)型與補(bǔ)給情況密切相關(guān)，決定著水分進(jìn)入礦層的難易程度。

一般說(shuō)來(lái)，水分補(bǔ)給越充分，礦體節(jié)理越發(fā)育，礦體擾動(dòng)就越大，開(kāi)挖后的時(shí)間越長(zhǎng)，則水分滲入到礦體的深度和范圍就越大。此外，礦體失水風(fēng)干也是礦體增大滲入深度的重要原因。許多膨脹性礦體在不發(fā)生風(fēng)干脫水的條件下，即使浸水也不會(huì)膨脹崩解，只有開(kāi)掘巷道后，改變了圍巖的自然狀態(tài)，使圍巖風(fēng)干脫水，并繼續(xù)浸水才會(huì)膨脹崩解，此外，對(duì)膨脹性圍巖，開(kāi)挖后應(yīng)立即嚴(yán)密封閉，防止其松動(dòng)和風(fēng)干并采取防水和排水等措施。封閉既是為了防止風(fēng)干脫水，又是為了防止水與礦體的作用；防水，排水則是為了防止風(fēng)干后的礦體再吸水。這樣從積極方面阻止膨脹過(guò)程的發(fā)生與發(fā)展，是防止礦層膨脹的重要措施。

4.5 圍巖壓力的影響因素

圍巖的破壞形式主要分為塑性破壞和脆性破壞，塑性破壞是指圍巖在受到一定外力作用后無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的形狀，使圍巖發(fā)生形變，結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致采礦施工難度增加；脆性破壞是指圍巖在受到外力作用后雖無(wú)顯著變形但突發(fā)破壞的狀況。其中，脆性圍巖破壞的情況與變形程度與礦區(qū)的礦體結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般破壞形式包括：礦體會(huì)出現(xiàn)彎折凸出、裂縫或大范圍坍塌、礦體表面脫落或掉裂、爆炸等；塑性破壞圍巖主要受到應(yīng)力作用和地下水作用，圍巖的破壞形式主要包括：礦體膨脹凸出、塑流涌出、坍塌等。圍巖受到的壓力不同，針對(duì)制定的支護(hù)措施也不同。如圍巖的壓力類(lèi)型一般有四種，分別為變形壓力、松動(dòng)壓力、膨脹壓力、沖擊壓力。在地下工程施工過(guò)程中，需要對(duì)地下礦體進(jìn)行開(kāi)挖，圍巖結(jié)構(gòu)將遭到不同程度的破壞，使圍巖應(yīng)力無(wú)法保持平衡，可能造成坍塌或巖爆等事故。為了保障在地下開(kāi)挖的過(guò)程中施工人員的人身安全與硐室使用的穩(wěn)定性與安全性，需要分析不同地段圍巖受到的壓力，對(duì)此采取支護(hù)措施來(lái)使圍巖應(yīng)力保持平衡，阻止圍巖發(fā)生破壞與變形。在安裝圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生一定相互作用，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的壓力被稱(chēng)為圍巖壓力，圍巖壓力按照受力方向可分為水平壓力、垂直壓力、底部壓力。在礦區(qū)采礦過(guò)程中，圍巖應(yīng)力與圍巖壓力都可稱(chēng)為礦山壓力。影響圍巖壓力的主要因素包括：第一，來(lái)自于礦體的初始應(yīng)力狀態(tài)和開(kāi)挖硐室的形狀、大小，硐室的形狀一般有圓形、橢圓形、矩形、半圓形等，其中，圓形與橢圓形硐室的單位面積礦體的內(nèi)力強(qiáng)度集中程度較低，因此圍巖壓力較??；第二，地下水的影響；第三，支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式與安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)間與強(qiáng)度；第四，施工工藝，巷道掘進(jìn)工藝不同，對(duì)于圍巖造成的破壞程度不同，因此圍巖壓力不同。

5 巷道礦壓控制原理

巷道中出現(xiàn)較大的礦壓屬于正常的自然現(xiàn)象，難以在開(kāi)采過(guò)程中完全消除。但是需要在掌握巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，將巖石力學(xué)理論作為重要基礎(chǔ)與依據(jù)，盡可能降低礦壓對(duì)于巷道的損害作用，獲取良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)效果，達(dá)到控制礦區(qū)生產(chǎn)壓力的最終目標(biāo)。巷道的礦壓控制方案主要可以被分為以下幾種途徑：

首先，需要保護(hù)巷道。即維持礦體的強(qiáng)度水平，保持巖層應(yīng)力的適應(yīng)性，保障巷道生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低各類(lèi)礦壓因素引發(fā)災(zāi)害的概率。例如，在選擇備用截?cái)嗝鏁r(shí)，可以選擇一些能夠維持巷道穩(wěn)定性的截?cái)嗝嫘螤?，在巷道旁邊留下人工保護(hù)區(qū)域，將硬度較大的巖層集中起來(lái)，有效降低區(qū)域內(nèi)整體應(yīng)力水平。當(dāng)前，天窗的設(shè)置可以將礦區(qū)與地表有效連接起來(lái)，改變礦區(qū)周?chē)膽?yīng)力分布狀況，避免用力過(guò)度集中，使得巷道整體處于應(yīng)力較低的狀態(tài)，維護(hù)礦區(qū)各個(gè)段落的穩(wěn)定性與安全性。

其次，需要支護(hù)巷道。即應(yīng)用各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段應(yīng)對(duì)礦層變形及冒頂現(xiàn)象，避免圍巖周?chē)霈F(xiàn)嚴(yán)重的變形狀況，延長(zhǎng)巷道的使用壽命，提升其使用價(jià)值。例如，礦區(qū)礦層內(nèi)部經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于地質(zhì)構(gòu)造引發(fā)的礦層變形狀況，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，片幫及冒頂現(xiàn)象十分明顯，巖層應(yīng)力過(guò)度集中，嚴(yán)重影響了巷道的穩(wěn)定性與安全性。為了確保巷道能夠被正常使用，需要及時(shí)采取維護(hù)的策略，避免冒頂現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，降低各類(lèi)不安全因素可能對(duì)人們產(chǎn)生的破壞。

最后，需要維護(hù)并維修巷道。即為了提高支護(hù)巷道的穩(wěn)定性，避免其出現(xiàn)持續(xù)惡化后果，需要及時(shí)采取一些修復(fù)策略。例如，為保護(hù)軟弱礦體不受沖擊破壞，保護(hù)礦體的穩(wěn)定性，從而保證工程的使用，如大采的分層巷與礦區(qū)電耙道斗穿及耙道的維護(hù)就是如此。

6 現(xiàn)階段礦區(qū)支護(hù)的主要形式及壓力控制的手段

坑木短期支護(hù)與鋼筋混凝土支護(hù)技術(shù)是上坪礦區(qū)巷道支護(hù)最常用的技術(shù)類(lèi)型。

首先，坑木支護(hù)技術(shù)的使用時(shí)間較短，屬于臨時(shí)性的支護(hù)技術(shù)，在處理巖層破碎及冒頂狀況時(shí)發(fā)揮著重要作用，通常還需要額外使用鋼筋混凝土技術(shù)進(jìn)行冒頂。其次，鋼筋混凝土礦層支護(hù)技術(shù)可以有效加固礦層，保持其穩(wěn)定性，使用時(shí)間較久，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，需要耗費(fèi)較高的安全檢查費(fèi)用，工藝處理過(guò)程十分復(fù)雜。當(dāng)前礦區(qū)開(kāi)采對(duì)于速度的要求日益提高，該技術(shù)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

截至當(dāng)前，巷道支護(hù)策略是維護(hù)巷道安全生產(chǎn)過(guò)程的重要處理策略。在探尋科學(xué)的支護(hù)策略時(shí)，需要明確各種類(lèi)型巷道的基本特征，了解支護(hù)技術(shù)的重要目標(biāo)及基本處理策略，樹(shù)立正確的處理思想，科學(xué)設(shè)置支護(hù)參數(shù)信息，選擇合理的支護(hù)材料及支護(hù)設(shè)備，使其符合礦層基本性質(zhì)、壓力狀況及最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間，使其能夠用于各種截?cái)嗝嫘螤钪?，盡量降低資金投入水平，切實(shí)保障礦區(qū)生產(chǎn)過(guò)程的安全性與可靠性。當(dāng)前，上坪礦區(qū)生產(chǎn)并未積極引入新型材料與新型設(shè)備，需要加大革新力度，改善支護(hù)技術(shù)的缺陷，綜合運(yùn)用多樣化的支護(hù)技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工狀況選擇支護(hù)類(lèi)型。例如，對(duì)于高嶺土化礦區(qū)，可以運(yùn)用噴射混凝土的方式進(jìn)行處理，獲得比鋼筋混凝土支護(hù)更好的效果，提高礦體的穩(wěn)定性，科學(xué)處理冒頂片幫現(xiàn)象，獲得理想的支護(hù)效果。同時(shí)，也應(yīng)該降低支護(hù)成本，確保工程質(zhì)量，為采礦企業(yè)謀取更多經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，礦區(qū)支護(hù)狀況與其地質(zhì)狀況密切相關(guān)，需要明確影響壓力控制及支護(hù)狀況的主要因素，了解巷道壓力控制原理，明確當(dāng)前支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，探尋支護(hù)有效形式及壓力控制的有效策略，提高礦區(qū)開(kāi)發(fā)水平與采礦效率。