矿井深部开采矿压与支护技术

2022-03-15连晓强

当代化工研究 2022年4期

关键词：矿压锚索锚杆

＊连晓强

（山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司山西 042100）

对于巷道围岩控制而言，要结合矿井深部开采的基本要求和具体情况，践行过程化技术方案，全面提升支护选择和设计的合理性，最大程度上维持相互作用的规范程度，为井巷处理经济性、可靠性以及安全性的提升奠定基础。

1.矿井深部开采矿压分析概述

(1)特点

①巷道变形量较大

对于矿井深部而言，收敛变形量的增大是非常显著的特点，主要是因为围岩破裂，尤其是在开采深度加大的情况下，巷道的变形量会呈现出更加密切的线性关系，一般而言，从矿井深部600m开始，每增加100m的深度，巷道顶部的相对移动量就会增加10%左右[1]。

②掘巷初期变形速率较大

在矿井深部开采过程中，巷道在掘进过程中变形速度增大也是非常显著的特征，结合相关现场观测数值可知，深井巷道在刚开挖时，其变形速度一般为每天50mm。而在掘进一段时间后，其整体速率会趋于稳定，之所以会出现收敛变形，就是因为残余强度状态破裂区围岩的破裂情况会存在膨胀变形问题。例如，某煤矿阶段性运输巷的埋深为1159m，依据围岩结构以及对应变形速率，决定采取锚喷网支护处理模式，将变形速率控制在规定的范围内。

③巷道底臌量大

在开采深度不断加大的情况下，产生的底臌比重也在增大，底臌量以及顶部相对位移量占比也会增大[2]。

④冲击地压频率增大

结合相关数据和信息可知，在矿井深部开采工作不断开展的过程中，矿山冲击地压的发生频率以及冲击强度都会随之增大，主要是因为煤矿和岩体都会因为变形集聚能量，在释放的过程中必然会产生较大的地压。

(2)观测和数据处理

为了保证后续矿井深部开采矿压处理工作的合理性，要建立完整的观测机制和数据处理机制，以保证能结合对应数据参数，设定完整的处理方案，并开展后续支护工作。要对巷道内进行观测断面的布置，一般是间隔30m的位置设置2个观测断面，配合顶板离层量监测分析控制机制，有效观察监测范围内顶板结构是否存在离析问题，若是出现离析，要对具体的离层位置予以标注。并且，针对围岩深部和表面位移观测断面等具体参数进行着重分析，有效了解巷道围岩表面和深部的实际位移量，这就能验证相应支护处理机制的应用可行性，为后续支护设计的优化提供直观的依据。

2.矿井深部开采矿压处理机制

在明确矿井深部开采时矿压特点后，为了提升矿压管理效果，就要践行完整的矿压处理机制，从而有效减少安全隐患问题对整体工程项目产生的影响。

(1)明确作用机理

对于巷道矿压控制工作而言，合理性的管控围岩状态是根本要素，只有提升围岩稳定性和变形量大小控制效果，才能更好地打造完整的矿压管理模式，从而避免安全问题。

一方面，围岩自身力学性质会对围岩的稳定性形成作用，同时，围岩受到区域应力场的控制，若是作用在围岩上的应力超出其承受的数值范围和强度极限，围岩必然会出现失稳问题。尤其是巷道围岩中煤层的强度，在外力作用下，托石超出的煤层的屈服极限数值，煤层就会直接进入到塑流状态，使得内移或者是底板臌起[3]。

另一方面，变形量的增大也会对上覆岩层的支点产生影响，出现支点外移的情况，顶板暴露的面积增大，最终对顶板的应力状态产生影响，使得顶板存在下沉或者是离层问题，最终出现断裂破坏和冒落等现象。

综上所述，为了保证矿压处理的合理性和规范性，就要在明确作用机理的同时，结合实际情况维持围岩结构的稳定性，避免压力参数超出极限范围，并结合现场安全处理要求和控制方案提升对应处理效率。

(2)优化巷道布局

在矿井深部开采矿压管理控制工作中，要提升巷道布局的合理性和规范性，避免煤柱出现应力集中或者是构造应力集中的问题，优选稳定性较好的岩石区域，并且将岩巷作为主要支线。尤其是在深度不断增加的基础上，回采工作面塑性区域增大，必然会使得煤柱的留宽增大，要想提升回收率，就要对工作面回风运输过程予以控制，采取无煤柱护巷的处理方式[4]。

另外，在巷道布局过程中若是出现褶曲区域、逆断层区域等，就要保证巷道的方向和对应结构的走向维持垂直关系，若是遭遇拉应力为主的断层结构，则巷道的方向与其维持一致，能最大程度上减少矿压显现效果。

除此之外，巷道的布局模式和内容都要结合实际情况落实到位，确保布局细节和综合控制水平最优化，确保巷道布置的方位能尽量远离断层推进区域，从而减少平行布置的情况，避免巷道相交造成的不良影响，最大程度上规避冲击地压产生的危险问题。

(3)优选支护模式

矿井深部开采过程中，矿压处理也要将支护模式的选择作为关键，尤其是深度在800m以上，其巷道以中硬及中硬以上岩层分布，传统的支护体系不能满足强度要求，这就需要匹配对应的支护技术处理方案，选取锚杆、可缩性支架（图1）、改变巷道支护强度、锚喷网联合支护等方式，匹配具体情况，以保证能充分发挥围岩自身的承载力，最大程度上提高支护效果，减少矿压不稳定造成的安全隐患问题[5]。

图1 可缩性支架

3.矿井深部开采矿压支护技术

在矿井深部开采矿压处理工序中，要结合具体情况选取匹配的支护技术，发挥支护技术应用优势的同时，打造更加安全、稳定的工程流程，并充分发挥支护结构和布局的应用价值，为矿区安全管理提供保障。

(1)支护处理要求

①开拓巷道支护

多数的矿井斜井和大巷工程项目都属于永久性工程项目，不仅工程服务期较长，且对应的工程项目内容较多，为了有效提升相关工作任务的基本质量水平，要保证相关支护效果的规范性和科学性。

第一，要对巷道支护布置环节予以重视，尽量选择非人为造成巷道损坏的位置完成支护处理工序，并且，要选择周围环境中岩石层较为稳定的巷道区域展开支护处理。

第二，要想从根本上提高巷道支护处理模式的规范性，维持工作顺利开展，就要在矿井挖掘工作开始前落实相关支护参数的调研和勘察，尤其是矿井宽度，以保证能有效确定钻井设备的尺寸，确保能挖掘和钻井机设备尺寸大小相一致的煤层结构，借助卸压设备维持开采工作的合理性。这种处理机制不仅能大大提升开采工作的基本质量，还能避免安全事故，维持周围岩层的稳定性。

第三，要对不稳定岩层予以控制，确保能结合差异化支护方式和技术处理机制完成加固联合支护。

②采区巷道支护

对于采区内部，上山和下山的巷道矿井数量较多，所以，矿井开采模式中一般是借助半掘进的方式完成挖掘工作，因此，要在矿井的底层位置设置对应的底板结构，并且，配合煤柱等基础模块，从而维持整个采区巷道支护的整体水平，打造安全可靠的支护环境，提升支护的综合质量效果。若是在实际开采过程中出现矿井底部的煤柱数量较少，则会对煤层产生影响，甚至会对煤层动压产生破坏力，制约整个煤炭开采项目的安全性和工作体系的稳定性。若是矿井底层断面跨度在3m以上，就要配合整体支护设计方案，采取外部支架配合处理的支护模式，保证支护结构统一效果更加符合预期，有效避免岩层断裂等现象，也能最大程度上减少煤炭资源的损耗。总之，要在采取巷道支护处理机制中，针对结构内容落实更加合理的控制方案，维持整体水平。

③回采巷道支护

在支护工序体系内，回采巷道开采工作最大的安全隐患就是采动压力变形，一旦出现对应变形趋势，必然会对巷道支护的效果以及煤炭生产的质量产生影响。基于此，要整合巷道支护技术方案的要点，落实精细化分析机制和技术控制模式，从而维持整体应用效果。

一方面，要利用采后留巷的处理机制，确保巷道采空区边缘位置就能完成对应的支护处理，并且在辅助煤炭开采工作的基础上，保证支护处理机制结束后沿着空送巷完成煤柱保护处理机制，减少危险因素的同时，提升巷道支护的合理性效果。

另一方面，在实际巷道支护处理工序中，利用组合锚杆式支护处理机制，配合金属网和锚杆之间的锚索加固操作，就能有效维持巷道整体支护处理水平，打造稳定且合理的控制模式，最大程度上提高支护结构的稳定性。

(2)支护处理方式

①U型钢可缩性支架支护

一般是选取拱形U型钢可缩性支架和环形U型钢可缩性支架。

拱形U型钢可缩性支架整体承载能力较好，可伸缩性较好，能实现支架的均匀受力，并且对于围岩不稳定结构或者是动压巷道有较好的适应性。所以，在煤层开采厚度较小的掘进巷道处理中，利用这种支架支护处理机制能优化顶板的完整性和稳定性。

环形U型钢可缩性支架能形成较为稳定的闭环结构，这就大大提升了支架结构的承载力，变形损坏率大大降低[6]。

②锚杆支护

利用锚杆支护处理时，锚杆能发挥其悬吊作用，最大程度上维持岩层的稳定性，要依据地质调查获取的地层厚度和冒落拱高度进行确定，利用L=KH+L1+L2确定锚杆的长度，并评估支护参数。

在实际应用过程中，组合梁中锚固层共同变形问题的控制能有效提升抗弯能力，减少岩层由于变形产生的安全隐患，在深部工程中，无论是围岩应力还是变形量都会出现较大的变化，顶板岩层也会受到破坏，此时，为了避免拉应力失效或者是弯矩能力失衡，就要匹配悬吊模式，维持承载力参数的标准水平。也就是说，若是巷道呈现出拱形或者是圆形，则锚杆要匹配适当的间距，以保证拱形系统安装的合理性，并且提升连续均匀压缩带的应用效果[7]。

在锚杆支护操作结束后，要对其进行应用参数的复验。一般是在试验段设置两个基础的观测断面，断面距离为30m，并且，每格观测断面上要按照标准化规定完成相关测量仪器的设置。首先，在巷道的顶板中央位置和两侧中央位置各安装1根锚杆结构，确保3根锚杆结构位置的规范性，并且在锚杆结构上安装锚杆阻力检测设备，有效测定锚杆动态锚固力。其次，在顶板中央和两侧中央各安装一个SMWY-3型塑锚围岩深部基点位移设备，能结合实际情况测定巷道围岩表面以及深部的位移情况。其具体的观测周期为距离工作面50m位置以内的顶板离层要按照每两天观察一次进行记录，而对于50m以外的区域，要按照每6天观察一次的周期完成记录。并且，距离工作面50m以内的锚固力和围岩深度位移观测也要按照每两天观察一次的方式完成相关数据的记录，50m以外依旧是每6天一次。按照标准化观测分析方案落实相关工作，就能获取设计测量数据，确保监测流程的合理性和规范性，及时整理分析后若是发现顶板离层情况，就要及时上报管理部门，以维持整体支护处理工序的规范性。

③锚索支护

A.形式和参数

目前，针对锚索支护的研究，结合具体情况选择适宜的支护匹配模式，从而有效提升锚索的锚固深度和承载能力，维持较好的应用效率，特别是在软岩巷道处理中，锚索支护处理方式能大大提升安全生产的水平[8]。

B.锚索支护机理

锚索支护处理过程中，若是采取单体锚索支护，就是固定在岩体内的锚头和外部锁定区域进行预应力的处理，有效形成弹性变形，从而借助内外压力的方式确保锚索能更好地作用在围岩上，平衡变形力，保证巷道的稳定性和安全性。

除此之外，锚网也是较为常见的支护手段，能利用金属网承托挤入巷道的岩石，避免岩体垮落问题，并且将载荷传递到锚杆结构中，有效加固围岩，避免风化对其产生的侵蚀，大大提升喷层的整体质量水平和抗拉效果。

(3)支护分析系统

在计算机技术不断发展的时代背景下，基于数据库技术实现矿压和巷道支护分析数据管理模式受到了广泛关注，能录入表面位移、深部位移、顶板离层等相关监测参数，配合监测指标对应的计算处理方法，就能分析巷道管理效果以及工作面支护水平，打造更加完整的巷道支护管控机制，确保巷道支护技术保障效果符合预期，提升决策处理的科学性，也为巷道综合质量优化予以支持。例如，Visual Basic 6.0软件，能完成信息录入和监测参数计算，实现实时性更新和数据汇总，并且依据指标为修正巷道支护提供建议。