孫建立

（開灤(集團)有限責(zé)任公司設(shè)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(guān)系到開采成本。其中，井下掘進是至關(guān)重要的工作內(nèi)容。由于地質(zhì)條件復(fù)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(yīng)該重視掘進支護技術(shù)，并認(rèn)識到復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦開采的困難，合理應(yīng)用這些技術(shù)于實際工作中，最大限度地保障作業(yè)的安全性。

1 復(fù)雜地質(zhì)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(dǎo)致煤層走向不穩(wěn)定、煤層錯斷；巖石力學(xué)性質(zhì)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(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的煤礦采煤過程中，需要進行詳細的地質(zhì)勘察和分析，制定相應(yīng)的采煤與支護方案，合理選擇采煤設(shè)備和技術(shù)，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

2 復(fù)雜地質(zhì)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(jié)構(gòu)受到外力的影響發(fā)生變形，導(dǎo)致巷道呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)。在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，變形帶來的不規(guī)則形態(tài)將導(dǎo)致支護材料的選擇和應(yīng)用變得困難，而巷道寬度的變化也可能影響支護設(shè)備的選擇和適應(yīng)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(dāng)，可能發(fā)生坍塌或者破裂，對工作人員和設(shè)備的安全構(gòu)成威脅。因此，在巷道設(shè)計和建設(shè)過程中，必須充分考慮地質(zhì)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(shè)備產(chǎn)生的影響

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，僅僅依靠過時的設(shè)備或者未經(jīng)充分考慮地選用設(shè)備，將無法真正發(fā)揮掘進支護技術(shù)的效果，甚至可能因設(shè)備故障而嚴(yán)重限制其正常運行。正如船工需選擇合適的船槳來應(yīng)對大浪，選擇掘進支護技術(shù)時也需要謹(jǐn)慎挑選適合的工具，因此技術(shù)人員需要全面了解地質(zhì)條件、巷道特點、需求和可行性，確保設(shè)備將能夠適應(yīng)變化莫測的地質(zhì)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(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦開采現(xiàn)狀研究

3.1 地質(zhì)基礎(chǔ)條件

我國的煤礦多數(shù)分布在老礦區(qū)，這些地方的地質(zhì)環(huán)境因為長時間的開采而逐漸復(fù)雜，大地壓力和斷層等問題的存在，嚴(yán)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(dǎo)致巖層的斷裂和錯動，使得開采作業(yè)更加復(fù)雜和危險。同時，斷層的存在會導(dǎo)致礦井地質(zhì)體的不連續(xù)性，增加了開采過程中的不確定性和風(fēng)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(zhì)構(gòu)造和巖石性質(zhì)的影響，給礦井內(nèi)的排水工作帶來更大的挑戰(zhàn)。最后，水文地質(zhì)的復(fù)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(yán)格的監(jiān)管措施。

3.2 掘進技術(shù)條件

隨著開采深度的增加，頂板巖性從堅固穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)榇嗳跻姿?。巖層斷裂的發(fā)生頻率增加，給支護工作增添了更高的困難，對支護技術(shù)的要求愈發(fā)嚴(yán)苛，開采深度的增加還導(dǎo)致起拱圍巖應(yīng)力增大；起拱圍巖應(yīng)力的增加使得煤層和巖層之間的接觸壓力增大，容易導(dǎo)致巖層起拱；復(fù)雜的地質(zhì)條件常常導(dǎo)致巷道的斷裂，對巷道的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)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(shè)：采用隔水層鋪設(shè)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高地質(zhì)體的整體強度，其為巷道提供額外的支撐力，能夠有效預(yù)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，預(yù)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(zhì)，諸如高嶺石和蒙脫石。在干燥的環(huán)境中，這些礦物質(zhì)保持穩(wěn)定，不會發(fā)生變化，當(dāng)水分滲透到地下，與這些礦物質(zhì)相互作用時，它們開始逐漸轉(zhuǎn)變。水分子進入了礦物質(zhì)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(yīng)力環(huán)境下，巷道底板鼓起問題的本質(zhì)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(dāng)巖柱承受著來自巖體和地應(yīng)力的擠壓力時，底板巖體會持續(xù)遭受擠壓，最終導(dǎo)致底鼓現(xiàn)象的出現(xiàn)。高應(yīng)力環(huán)境使巖石的物理特性和力學(xué)行為發(fā)生了顯著變化。應(yīng)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了巷道底板巖體的強度下降和破碎帶的形成。當(dāng)?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(dǎo)致巖石流動性增加。在巨大的應(yīng)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(shè)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(shù)的實際運用

5.1 直接破頂技術(shù)

直接破頂技術(shù)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(yīng)用錨網(wǎng)索支護技術(shù)。為此，須借助先進的巖石力學(xué)模型和地質(zhì)探測技術(shù)，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(zhì)和組成結(jié)構(gòu)，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(shù)的工藝流程須運用先進的機械設(shè)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(shù)在施工過程中減少了風(fēng)險和延誤，通過科學(xué)的評估和策略，作業(yè)人員能夠根據(jù)實際情況進行適應(yīng)性調(diào)整，確保掘進過程的安全和效率。

5.2 后退臥底技術(shù)

首先，后退臥底技術(shù)最為顯著的優(yōu)勢是確保施工的牢固性和整體性，具有應(yīng)對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件的能力。后退臥底技術(shù)能夠針對不同地質(zhì)特征，指導(dǎo)作業(yè)人員應(yīng)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(shù)為管理人員提供了更大的決策空間。借助這種高級技術(shù)，管理人員在施工過程中可以對支護方案進行精細調(diào)整，并及時應(yīng)對地質(zhì)條件的變化，以提高施工質(zhì)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(yīng)對斷層落差增大所引發(fā)的煤層坍塌問題直接關(guān)系到作業(yè)人員的安全。為此，技術(shù)人員采用被稱為“U 鋼法”的臨時支護技術(shù)，提前構(gòu)建堅固的支護結(jié)構(gòu)，確保礦井的穩(wěn)定性。

具體而言，“U 鋼法”臨時支護技術(shù)指的是在煤礦開采過程中，技術(shù)人員根據(jù)地質(zhì)條件和預(yù)測的斷層落差，提前布置和安裝U 形鋼材，構(gòu)建起可靠的支撐結(jié)構(gòu)。這種支護結(jié)構(gòu)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(fēng)險。

“U鋼法”臨時支護技術(shù)具有快速部署、調(diào)整的優(yōu)勢，因其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安裝便捷，技術(shù)人員進行支撐結(jié)構(gòu)的布置和調(diào)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(yīng)對地質(zhì)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(shù)還具有經(jīng)濟效益，該技術(shù)所需的材料和設(shè)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(fù)雜地質(zhì)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(fù)雜的地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的剛性支護方案逐漸顯現(xiàn)出不足，為應(yīng)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(jié)合運用U 型鋼閉合環(huán)和錨網(wǎng)索支護技術(shù)。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(shè)計的優(yōu)勢在于，當(dāng)圍巖發(fā)生變形時，閉合圈也能相應(yīng)變動，需因地制宜地選擇不同的掘進支護方案。

6.2 應(yīng)用臨時支護技術(shù)

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(wù)，液壓鎖作為關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)，通過準(zhǔn)確的液壓調(diào)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(zhì)情況，以進行準(zhǔn)確監(jiān)測和評估。根據(jù)地質(zhì)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(shù)，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(yīng)性，能夠有效地開采中厚煤層，提高開采效率和產(chǎn)量。

當(dāng)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(jié)合了多種工程機械和技術(shù)手段，能夠應(yīng)對極具挑戰(zhàn)性的厚煤層開采任務(wù)。

7 采煤掘進支護技術(shù)的發(fā)展前景

在煤礦采煤掘進支護技術(shù)領(lǐng)域，企業(yè)要以監(jiān)測井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)環(huán)境為基礎(chǔ)，確保工作面的安全開采。首先，深入研發(fā)適應(yīng)不同地質(zhì)條件的支護材料和構(gòu)件。這些材料和構(gòu)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(shù)的水平。其次，創(chuàng)新和研發(fā)高精度的設(shè)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(shù)，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(guān)企業(yè)都需要持續(xù)推動技術(shù)的進步，確保煤礦的安全開采。

8 結(jié)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?？梢?，在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，合理應(yīng)用煤礦掘進支護技術(shù)至關(guān)重要。基于此，本文針對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下煤礦采煤掘進支護技術(shù)進行深入研究，并分析其存在的問題，給出相關(guān)建議，以期提升煤炭開采技術(shù)人員水平，確保煤礦開采的安全和有效性。