矿井建设中软岩巷道掘进施工技术.pdf

16/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺0 引言随着煤炭开采逐步转向地下更深处，煤矿掘进巷道危险系数逐步上升。在煤矿地质灾害中，软岩地质灾害时刻威胁着煤矿安全生产，一些严重煤矿地质灾害不仅造成煤矿企业停产整顿，还有可能酿成重大安全生产事故，给煤矿企业带来重大人员和财产损失。为此，在煤矿开采过程中，要始终将安全生产问题放在首要位置，特别是在一些开采深度较大的矿井，要特别注意煤矿巷道顶板与两侧片帮位于软岩地质开采区的受力变化，密切监视支护结构的稳定性，在煤矿掘进作业中排查巷道安全风险和安全隐患，积极采取措施确保煤矿巷道支护措施能极大地保障井下巷道掘进。1 矿井建设中软岩巷道施工的特点1.1 软岩地质特征矿区软岩是在特殊地质条件下经过复杂物理化学过程变成具有塑性形变的多组分岩石，该岩石在自然界表现为泥岩、页岩、砂岩和泥质岩层等。这些岩石构造的强度不高，岩石之间组织不够紧密，胶粘矿化程度不高，甚至一些地质软岩会组成膨胀性含煤层，这种类型采煤地质条件也对巷道支护提出更高的要求。除了上述提及的自然条件下形成软岩地质，还有工程软岩。不同于自然条件下的地质软岩，工程软岩对于煤矿开采而言是工程作用下发生塑性变形而成的岩体，该类型岩体对外界压力载荷有一定要求。只有当外界作用工程力达到一定程度，克服了软岩自身能够承受的塑性变形承载力，才能形成所谓的工程软岩。形成工程软岩的原因有很多，包括但不限于浅层地震、地质断层褶皱等地下高压活动，都可能造成地下软岩形成工程软岩1。1.2 软岩巷道形变特征煤矿软岩巷道发生塑性形变过程会产生强大的变形量，需要强有力的支护结构，并且支护结构组件最好不要与围岩发生直接接触，减少支护措施刚性面磨损，进而保证围岩和周围墙壁的安全性与稳定性。软岩巷道的围岩变形同时受到空间和地应力的双重影响。一方面，随着煤炭开采深度的增加，地下深处围岩空间结构发生一些变化会改变煤矿巷道掘进的设计布局；另一方面，软岩巷道中地应力会导致巷道变形，主要表现为顶板下沉和片帮向两侧发生位移，对巷道安全支护提出新的挑战。软岩巷道的变形特点如下：软岩应力开始时形变速率变化很快，短时间内会出现几厘米的形变。巷道工作面采掘过程会加剧周围围岩流变性，导致超过支护结构承受极限而发生弯曲变形。巷道支护结构弯曲变形达到一定程度会导致严重变形，甚至断裂。因此，在巷道挖掘过程要充分考虑软岩巷道岩石形变特点，充分评估软岩应力变化，采取针对性支护措施，将井下采掘危险降至最低。矿井建设中软岩巷道掘进施工技术张鹏飞（山西辰诚建设工程有限公司，山西阳泉 045000）摘要：随着煤矿井下开采的深入，矿井建设中软岩巷道掘进成为许多煤炭企业常见的生产难题。从煤矿软岩地质和软岩巷道入手，简单介绍了软岩巷道支护的原理，分析了影响软岩巷道施工的因素，提出了加强煤矿软岩巷道施工过程的举措，希望对煤矿软岩巷道掘进施工技术革新提供有益的思考。关键词：矿井建设；软岩巷道；掘进施工2023.7 矿业装备/171.3 软岩支护的原理根据巷道掘进特点和软岩特性可知，巷道围岩受到外力作用先发生弹性形变，直到外力增强到一定程度后，外界施加的应力超过软岩恢复弹性形变的有效载荷，此时围岩就由弹性形变转化成塑性形变，围岩形状不能恢复至原有的性状。不同于硬岩巷道自身承重能力强且脆性高的特点，软岩巷道从弹性形变向塑性形变转化需要一个过程。如果能够及时阻断软岩巷道弹性-塑性转变的中间过程，通过控制软岩回弹的力度和延长作用时间，软岩巷道也可以获得同硬质岩层一样的安全支护效果。巷道软岩发生变形的过程大致经历了几个阶段：软岩受到外部应力出现加速压缩变形过程、软岩形变速率趋向于恒速过程、软岩形变出现减速变化，直至在围岩内部和表面出现裂缝，造成围岩结构出现不可逆的破坏。煤矿巷道围岩支护就是从软岩巷道发生恒速形变入手干预，借助软岩变形弹力和外部应力动态平衡，对采掘巷道采取补强加固措施，从而保障软岩巷道的支护安全2。2 软岩巷道施工的限制因素2.1 工程地质勘察在煤矿巷道建设过程中，地下含水层和脆弱岩体是巷道掘进过程需要格外关注点。如果在巷道掘进工程开始之前，没有对当地地下含水层进行地质勘察，就会导致巷道掘进中发生地下水内涌，巷道顶板发生冒落，以及片帮发生位移，严重威胁煤矿采掘工作面的安全。为此，煤矿工程地质勘察工作一定要放在巷道掘进开始之前，为煤矿巷道正常掘进提供可靠数据支持。一方面，井下地质勘察要格外关注地下含煤层周围的水文和地质条件，采用现代化地质探测仪器，搜集相关地质研究数据，为井下巷道布局延伸提供准确数据信息。另一方面，在煤矿井下巷道掘进时，要做好地下灾害预警工作，一边掘进一边关注软岩巷道支护情况，发现软岩巷道变形与破坏，及时组织专业人员采取补强措施。现代煤矿生产要求工程技术人员掌握岩体力学专业知识，准确开展对岩体特征及岩体稳定性的分析与计算，做到对巷道周围软体岩层破碎带的正确预判，从而为煤矿巷道掘进提供可靠的安全支护环境3。2.2 巷道走向设计煤矿掘进巷道设计不仅要求采用先进的安全支护手段，确保煤矿安全生产，也要根据煤矿井下地质条件变化，选择适合于软岩巷道的开采方案，在力所能及的范围内降低煤矿掘进成本，保障煤炭生产的经济性。在巷道现场地质勘察中，可以获得一手的煤矿地质构造和地下水文资料，考虑到软岩形变特征和地下应力变化特点，要谨慎选择软岩巷道受力自稳的位置和时间，防止巷道顶板暴露在外而发生冒落。在煤矿掘进巷道走向设计时，需要随时关注地下水流变化，因为地下水流浸润软岩巷道，会直接增大煤矿围岩的岩层膨胀系数，降低周围岩层的支护强度，很容易导致巷道完全变形。对于巷道围岩爆破来说，通常选用光面爆破，并用金属网和尼龙塑料网控制爆破范围，尽可能实现局部定点爆破，将爆破对巷道危害降至最低。值得注意的是，煤矿巷道布局要统筹安全、稳定、高效的原则，减少不必要的施工环节设计，合理控制巷道断面大小，密切监控软岩应力变化，确保井下巷道掘进工作如期顺利进行。2.3 巷道掘进支护技术在煤矿软岩巷道掘进工作中，需要高度重视支护质量，防止出现巷道顶板冒落，地下水管涌，威胁煤矿巷道正常的掘进。为了预防煤矿软岩巷道发生上述危险事故，有必须熟练掌握常见的煤矿巷道安全支护技术方案，选择适合当地开采条件的井下支护方案。常见的软岩巷道掘进支护技术包括可伸缩支架支护、预留煤柱支护、高强混凝土墙喷射支护、光爆锚喷网支护等技术。以混凝土墙喷射支护为例，首先需要将井下巷道顶板和墙壁清理干净，缩短注浆墙和工作边墙的距离，然后开始混凝土喷射墙的施工。将水泥料、混凝土、速凝剂等材料在机械搅拌装置中充分混合，再将混合好的材料在喷砂机中添加一定量的水，从而形成喷射混凝土填料。将调配好的喷射混凝土填料向清扫干净的巷道断裂面墙壁进行喷射，待混凝土填料干燥凝固后，就能在巷道围岩上形成一层稳定的支护墙。对于软岩巷道支护，仅仅采用一次支护不能达到预期的安全支护效果，往往需要在一次支护提供围岩承载力，二次支护起到防止巷道变形的作用，必要时采用联合支护手段保障巷道的支撑效果4。2.4 注浆补强施工在煤矿井下巷道实际注浆过程中，需要对多个孔道同时注入补强材料，应该从巷道两侧底角开始浇筑，按照自下而上的方式将粘合浆液送至拱道顶部。通过注浆作业操作流程可知，水泥浆的配料按照先轻后重的顺序加料，即先注入规定量的清水，启动搅拌机待转速稳定后加入水泥料，最后添加辅助成型添加剂，在整个混料过程中非必要不停止搅拌，直至水泥浆符合巷道补强要18/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺求。注浆泵将调制好的水泥补强材料通过输浆管道送至注浆口，矿用注浆泵将孔口二次混合的补强材料喷射注浆孔，从而完成巷道表面封堵工作。采用注浆泵注浆作业要保证注浆压力不超过 3MPa，压力达不到规定值会导致炮浆，可能在巷道围岩内部留下裂缝或盲区，造成煤矿巷道围岩支护填充不合格。待充浆作业完成后，观察到巷道表面无淋水，注浆范围内填料充实、无明显裂痕，才能视为巷道注浆作业合格。3 矿井软岩巷道施工技术措施3.1 做好井下地质监测工作煤矿软岩掘进巷道施工是一项复杂的施工工程，面对井下多变的地质条件，煤矿地质勘探人员要做好含煤层附近地质勘察工作，做好煤层地质和水文资料的调查研究，提前做好煤矿地质灾害监测预防各项事宜。为此，在煤矿软岩巷道掘进工作正式开展之前，煤矿工程技术人员要做好地质测量工作，事前谋划软岩巷道掘进施工的重点和难点，做到心中有数、科学有序开展施工。对于已经勘察到的巷道地质危险，做好地质灾害负面影响评估，并在软岩掘进施工方案中明确标注，同时提出有针对性的解决措施，方便软岩巷道掘进施工人员开展后续工作。此外，煤矿地质监测人员要加强学习，特别是岩体力学特性和软岩支护技术开发，针对低应力导致的巷道变形和破坏，研究采取切实可行的支护手段，必要时可以将多种巷道支护技术有机融合在软岩巷道施工中。3.2 落实软岩巷道揭露前施工技术分析在煤矿井下巷道掘进过程中，巷道施工靠近含水层和松散岩体需要特别注意，尽快着手对软岩巷道进行加固作业，严禁在未采取有效支护措施的前提下单方面追求掘进进度。软岩巷道揭露前施工，要抓住围岩自稳时间间隙，提前采取软岩巷道补强措施，减少巷道顶板发生冒顶的风险。在具体的施工方案选择上，结合前期地质勘探报告找准巷道掘进方向，既要保障煤矿巷道正常贯通，又要尽可能降低巷道贯通成本，争取在复杂地质条件下建成一条强度高、稳定性好、膨胀度低的软岩支护巷道。在软岩巷道灌浆作业中，经常遇见一个问题是探孔的选择，该探孔要能够满足方便观察的要求，如果遇到巷道断裂面面积比较大的情况，还要做好探孔的密封。目前，很多煤矿开采企业在软岩巷道揭露前施工过程，每间隔一定距离设置一定数量的探孔和气流平衡孔，方便观察巷道灌浆作业进展，从而有效保障井软岩巷道施工的连续性。3.3 加强软岩巷道揭露后施工过程管理煤矿软岩巷道揭露后施工更多集中在软岩巷道地质灾害的有效应对，该部分工作主要围绕着建设混凝土注浆墙、铺设注浆管道、开挖固结灌浆和巷道支护等工作展开，有效减少软岩巷道顶板围岩的脱落问题。在建设混凝土注浆墙中，需要添加的施工材料包括水泥浆、混凝土、水玻璃、补强剂等，提高混凝土的刚度和强度，满足井下更高承载力的要求。煤矿软岩巷道注浆管道铺设质量与注浆工艺有很大关系，通常采用混凝土与水玻璃科学配比的混合浆液浇筑，并严格控制灌浆范围在巷道掘进轮廓附近，同时做好灌浆结束后的保压工作，防止注浆凝结固化不完全而发生崩裂现象。需要注意的是，软岩巷道支护方案需要选择强度合理、弹性适中的支架，有效发挥巷道围岩自身的承载能力，同时减少保护支架被外界压力直接冲击更换的次数。煤矿软岩巷道揭露后有很多破碎的岩石，除了采用注浆液加固围岩以外，还可以采取超前管棚掩护掘进施工人员，喷浆封闭外露围岩也是一种比较实用的方法，其他可以采用的软岩支护手段还有联合锚杆锚网支护、外设 U 管棚等方式，提高软岩巷道支护效果。4 结束语总之，矿井建设中软岩巷道掘进施工质量关乎煤矿安全生产的大计，必须结合煤矿地质勘探调研资料，做好煤矿软岩巷道施工技术研究，保障煤矿企业巷道掘进顺利进行。参考文献1 付晋柱.矿井建设中软岩巷道掘进施工技术 J.矿业装备,2021(3):8-9.2 楚德海.矿井建设中软岩巷道掘进施工技术研究 J.中国新技术新产品,2020(2):112-113.3 郑永峰.关于矿井建设中软岩巷道掘进施工技术的探讨J.中国化工贸易,2020,12(3):184+186.4 王伟.矿井建设中软岩巷道掘进施工技术的探讨 J.建筑工程技术与设计,2018(23):300.