礦井深部開采礦壓與支護技術研究

解明峰

（安徽神源煤化工有限公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

煤礦的開發是一個從淺到深的發展階段，隨著技術、裝備的改進，煤礦的采掘程度也在逐步提高。我國的礦產資源豐富，并且幅員遼闊，針對區域來說，具有東部經濟比西部經濟發達、沿海經濟比內陸經濟發達的趨勢，因此這些發達區域對能量的需求也隨之增加。隨著礦洞的深入，安全開采問題就越發重要，就煤炭生產情況來說，煤礦開采的地質環境、技術裝備等方面都有很大差別，特別是深層煤炭資源開發利用程度高，所以各個地區煤礦的采掘工作中出現的問題也不盡相同。

1 礦井深部的特點

1.1 巷道變形特征

在礦山深處，巷道具有收縮變形不斷增加的明顯特征，這是由于巖體斷裂造成的，特別是當采礦深度增大時，巷道的形變率呈現直線變化，從煤礦深處600m起，往下加深100m，巷道頂部相對運動能力將會提升10%。在同一層地層中，由于受力程度的差異，其破壞變形程度也不盡一致。普遍的觀點是，煤礦的深井開采深度大于600m，采礦就有很大的困難。深井和超深井因其復雜的地質結構和巖性的變化，在各區域內的數據量有很大的差別，在相同的地層中，各層的數據有很大的差別[1]。巷道變形問題涉及的綜合因素較多，甚至不同時期的礦井以及開采深度問題都會造成不同的影響，包括了不同的挖掘方法也會產生不同的效果，由于采礦方法和地質情況的差異，其效果也不盡相同，所以，在考慮變形問題的同時，要全面排查各種因素。

1.2 前期掘巷的變形速率較高

礦山深層采礦時，巷道開挖時的變形速率是持續增大的，井巷隧道初挖時，其位移速率通常為50mm。產生變形的根本原因就是由于在剩余的應力狀態下，圍巖的斷裂狀況產生了擴容和膨脹，因此出現了變形的問題[2]。所以，在進行變形監控時，應采用適當的方法進行測量，以保證其在容許的范圍之內。變形檢測設備可以運用專用的檢測儀器對巷道內的變形進行觀察、分析、預報等，然后可以上傳到監控設備中，工作人員可以據此進行分析，明確巷道內的安全隱患問題。現有的計量技術和方法都有其優點和不足之處，還有待于對其應用的條件及應用領域進行深入探討。礦山開發越是深入，礦山內部的壓力就會逐步增強，如此一來，巷道維修工作就變得更加的困難，并且地下溫度也呈現上升的趨勢，給深部礦井的測量工作帶來了許多阻礙和挑戰。

1.3 沖擊地壓的頻率增大

通過對有關資料和資料的分析，得出了隨著煤礦的深入開發，煤礦的沖擊地震波出現的次數和強度也會隨著煤礦的發展而變化的規律，研究表明這是由于礦井和巖石由于變形而聚集了大量的能源，在這種情況下，一定會有很高的地壓力。地下氣壓的波動范圍很大，其加壓比平時的壓強大到數十到數百倍，并且會造成極度的負壓[3]。與此對應的是，當煤層壓力升高時，所觀測到電波頻率的輻射程度也會變得更強，從而使其發生碰撞地壓的概率也會提高。所以，與一般的露天煤礦相比，地下礦井具有更大的危害性，對工人的人身安全也有更大的威脅。在數十年的研究與探索中，國內外學者總結出一套全新的地震地震學新的研究方法和研究結果。

2 礦井深部開采礦壓處理機制

2.1 確定礦壓作用機制

礦山開采壓力管理工作中的合理控制是最基本的元素，確定礦壓作用機制可以提高圍巖的穩定度和變形的尺寸，只有這樣，才能依此建立起一個完善的礦井壓力控制模型，防止煤礦出現安全問題。圍巖本身具有機械特性的特點，并且圍巖對于巷道結構穩定的影響是非常巨大的。同時，如果該地區的應力集中在巖體上，一旦當壓力超過其所能接受的數值或強度限制時，圍巖將不可避免地產生穩定性問題，巷道圍巖區內結構的受壓程度也會發生變化，在外力的影響下，超過了巷道的承載限值時，煤層將會直接到達塑流區，發生基座向里移動或凸出的狀況。變形增加還可影響上覆巖石的支撐力在此作用下，支座發生了偏轉，使露出的頂板區域擴大，最終對其產生了一定的破壞作用。由于頂板受力狀況的作用，導致頂板下陷或出露。最后，會發生破裂、崩塌等問題。為了確保礦山壓力治理的正確性和科學性，就要確定作用機制，并與現場條件相聯系，保證其穩定性，防止超過限值的壓力指標，還要與現場的安全處置需求相聯系，提高相應的工藝效果和管理方法。

2.2 合理布局巷道線路

煤礦井下采礦壓力的管理與控制應采取措施的前提就是要保證煤層結構的合理化、規范化，防止煤柱受力過大。防止應力的集中，可以選擇具有良好穩定性的巖體區作為中心部分，然后對巖巷進行施工。特別是隨著開采的加深，開采難度也會隨著可塑性范圍的擴大而增加，那么煤柱留寬勢必也會增加，所以，為了提高采收率和加快開采的速度，必須嚴格管控開采后的回風量，使用無煤柱護巷道的形式。此外，巷道在規劃的時候，如果發生褶皺、逆斷層等情況，必須保持井口的方向和相應的構造方向保持豎直的聯系，如果遇到了主要受拉力影響的斷層，那么，井口的方向必須保持與之平行，這樣才能將采煤壓力的影響降到最低。并且，還必須根據具體的具體條件，將其設計方案和設計方案實施得恰到好處，保證方案的設計和整體的控制水準達到最好，保證巷道的布置位置盡可能地與斷裂推進區保持一定距離，盡可能減少并行排列的情形，避免因巷道交叉引起的不利后果，降低因撞擊引起的風險。

2.3 科學選取支護形式

礦山在深井采礦時，礦山壓力的治理也應把支撐方式的選取問題列為重點，特別是800m 以下的深井，可以以巷道中等硬度和中等硬度以上的巖石為主，常規的支撐系統難以達到強度的要求，為此，必須采用相應的支護工藝，選擇排樁支護、錨桿支護、基槽支護、可縮性支架、改變巷支護強度、錨噴網組合支護等方法，根據不同的地質條件，使其能夠最大限度地利用巖體本身的承載量，使其最大限度地提高其支護水平，降低礦山壓力不穩定所帶來的安全風險。

3 礦井開采支護技術分析

3.1 支護處理要求

礦山斜井及大巷工程大多為長期工程，不但具有長期的施工周期，而且涉及的項目也很多，要提高有關工作的基礎質量，必須確保相應的支撐工作體系具備規范化、科學化。所以就要注意支護的布局，在不受人為破壞的情況下，盡可能地進行支護處理，在周邊地區進行支擋加固。為了從根本上改善支護管理方式，維護礦采作業的正常進行，必須在開挖作業之前進行有關的地質調查和實地勘察，特別是煤礦的寬度和深度，根據測量的數據可以來選擇鉆具的尺寸，保證煤礦的采掘與鉆井機的規模相符，并在卸料裝置的輔助下保持采礦作業的合理性[4]。這樣的工作治理機制，既可以提高采礦作業的品質，又可防止礦井的安全問題，還能夠維護周邊巖石的穩定，最后還要嚴格的管控不穩定的地層運動問題，可以將不同的支撐模式和工藝措施相結合，實現復合加固的綜合支撐。

由于采區內有大量的巷道礦井，因此，在煤礦生產中，大多是采用半開挖的方法來進行采礦。為此，必須在下層布置相應的底板，并與煤柱等基本組件相結合，以保持采區整體的平穩，創造一個穩定、可靠的支撐條件，提高支護的綜合質量。如果在煤礦生產中發現煤礦下煤柱數目不多，不僅會對煤層造成一定的沖擊，而且還會對煤層的動壓造成一定的損害，從而限制了煤礦整體的安全運行和作業系統的穩定。如果煤礦的下限截面超過3m，則要根據整個支護的設計，采用與外托架相結合的支護方式，確保支護結構的一致性與預想的一致，從而有效地防止了巖層的破壞，并將煤的損失降到最低。所以，應在采用支護機制時，根據施工組織的具體情況，實施更為合理的施工控制措施，保持總體水準。

在綜采過程中，采動變形是回采巷道應力處理中的最大威脅，如果發生相應的位移，勢必會對采巷的支護效果和礦井的生產品質造成一定的不利影響。因此，必須將巷道支撐技術的重點統一起來，實行精細的解析與技術的管理，才能保持其總體的使用效益。要充分發揮采后留巷治理的作用，以保證在采空帶的邊界部位能夠進行相應的支撐，以及在支撐治理機制結束后，在空送巷內進行煤柱防護，既降低了風險，又提高了巷道的支護效率。同時，采用復合錨桿支護技術，結合金屬網錨與錨桿間的錨固作業，在實際巷道的治理過程中，可以保持整個巷道的支護水平，形成一個穩定、合理的支護模型，使支護的穩定性得到最大限度的改善。

3.2 支護處理方式

雖然采礦環境在不斷改善，但是由于采礦技術效應與經濟效應的綜合作用，導致了煤礦的深層采礦重大問題已經產生。其中最主要的影響是礦井的地質條件，在高應力的影響下周圍的巖體會產生了一定的位移，并且位移造成的抖動加劇，坑洞的內部穩定性就容易遭到破壞。這種情況下進行基坑支護和巖層采礦作業的話，U 形金屬支撐及圍巖支護巷道往往會在高應力的作用下產生很大程度上的變形。所以不僅是開采環境非常惡劣，巷道的維護工作也難以在確保安全的前提下進行。

U 型鋼的伸縮式支撐通常選用弓形U 型鋼和U 型鋼的伸縮式支撐。U 型鋼拱式伸縮式支撐具有良好的承載力和伸縮性能，能夠使支撐物的受力達到均衡，同時適用于不穩定的圍巖體和動壓巷。因此，采用該支護技術對掘進巷道進行了加固，可使其整體穩定性得到最大程度的改善。環狀U 形鋼托架具有更好的閉環穩定性，使其承載量大幅提高，并大幅減少了變形破壞的發生率。采用錨桿支護時，可使其充分發揮其懸吊功能，最大限度地保持巖體的穩定，應根據現場勘察獲得的層厚及冒落拱頂的高度，首先可以計算出錨桿長度，根據相關參數進行分析。在工程實踐中，通過對錨固結構的聯合變形進行控制，可以提高結構的抗彎承載力，降低因變形引起的巖體結構的安全風險。在深埋施工過程中，由于巖體的受力和變形會發生很大的改變，從而導致頂板的巖體發生損傷，因此，要防止產生拉應力和彎矩平衡，必須采用懸掛方式來保持正常的承載力[5]。

3.3 支護分析系統

地質情況、土壤成分、開采技術、施工工藝等對于煤礦深部開挖的影響很大。由于巷道的圍巖體變形速率太大，導致了巷道的開挖難度也在不斷的增加，周圍的變形區域增大，那么深部礦產工作的危險系數也在上升，井巷道巖性的對比研究顯示，由于巖性不同，當巷道逐步向內延伸時，其巖性的差別將會影響到巷道的圍巖，圍巖會產生相應的變化。所以就巷道而言，其使用和維修費用相對較高，并且，由于掘進的深度和開挖部位的改變，在不同的條件下，會產生很多的廢棄的巷道。巷道對于內部支撐性的承載力和環境條件等都有嚴格的要求，即使把支架的形狀擴大到一定程度，那么造成的成本問題以及安全問題都將成為支護技術的應用考量。

隨著社會經濟的發展，科學技術的進步，信息時代的來臨已經讓計算機技術開始應用于各個領域之中，在數據庫技術的加持下，可以對于礦壓以及支護技術進行綜合分析。還可以進行立體建模仿真模擬，對于圍巖以及地層的變動進行數據錄入，包括了檢測頂板數據等，可以直觀的分析出巷道管理的效果，并且對于支護技術進行數據分析。能夠建立完全的支護管理體系，確保礦采作業的科學性和合理性[6]。尤其是數據庫中的信息輸入是把資料的處理能力有機地整合在一起，使得信息的處理更為統一。在信息技術飛速發展的今天，對數據庫的管理和可視性提出了更高的要求。該系統的架構更為成熟，可以在一定程度上，對各類型的需求，并在較快的速度上滿足建出一套針對特定問題的體系。這些都是為了適應礦采巷道支護安全的要求而進行的，在面對新的要求時，還必須根據實際情況來不斷調整和優化。

4 結語

世界各國關于深井的研究目前尚無明確的量化指標，因而煤炭深層的儲量分析仍需進一步深入，在礦井深部開采礦壓與支護技術研究的過程中，需要結合本國的國情和煤礦開采的實際情況。