复杂地质下的煤矿采煤掘进支护技术及实践探析

＊康二愣

（柳林县安全生产技术服务中心 山西 033300）

我国煤炭资源较为丰富，地表之下蕴藏了大量煤炭资源，所以为了促进国家的发展，需要积极开采煤炭资源，减缓各行业在能源方面的压力。在实际作业期间，煤炭企业需构建挖掘巷道，只有借助此方式才能将开采的煤炭资源有效传输到地上。如今，我国煤炭资源的分布范围较广，不同地区的地质水文环境等不同，而多种地质条件也为煤炭的开采作业带来了难度。就目前煤矿开采情况分析，尽管我国煤炭资源非常充足，但由于前期消耗了大量资源，导致如今煤炭资源类型和地质条件都更加复杂，这不但加大了煤矿开发难度，还使得掘进支护技术的运用也变成了影响煤矿开采工作的主要因素。在此背景下，为了更好地解决地质问题，我国必须注重对煤矿采煤掘进支护技术的研究与运用。

1.复杂地质条件下，煤矿开采的现状

(1)基础条件

如今，我国许多煤矿都位于老矿区，这些矿区的地质环境随着多年的发展变得越发复杂，不仅经常出现大地压，还有很多断层情况，在很大程度上也削弱了矿区地质条件的稳定性，水文地质也越发复杂，这不仅加大了作业人员的开采难度，还为开采作业带来了很多安全隐患[1]。

(2)掘进技术

在煤矿开采的过程中，煤矿企业需解决以下问题。首先煤炭开采深度在不断加大，顶板岩性会发生很大的改变，而起拱围岩所受应力会进一步增加。其次在开展掘进施工作业时，因顶板煤层较为松软，所以非常容易发生断裂情况，这在一定程度上也加大了支护作业的难度，而作业人员只能使用前掘后修的方法。最后由于地质条件十分复杂，所以很容易造成巷道断层，在开采薄煤层的过程中对支护技术也有了更严格的要求。

2.复杂地质条件下掘进支护技术的应用要点

(1)巷道的地质情况、生产状况

本文以某一矿区矿井为例，在1号井东运输中巷断层间接底板岩石施工的过程中，间接底板大多是含砾粉、砂质泥岩，部分地段是厚度在10m左右的泥岩、炭质泥岩，还有少数地段的厚度超过10m或少于2m，这些地段很容易破碎，稳定性较差[2]。如表1所示为断层煤顶、底板岩石物理等试验成果。

表1 断层下煤顶和底板岩石物理相关试验成果表

结合岩石地下建筑技术规范，再依据矿山的具体情况可确定该断层下的煤顶板、底板岩石的稳定性很弱，因断层遭受破坏，贴近断层的巷道岩层也易出现裂隙或局部破碎等问题，这不仅造成岩石强度削弱，还影响了围岩的稳定性，所以才会发生岩石冒顶、底鼓等问题。

(2)巷道围岩遇水膨胀因素、机理

①受底板泥岩矿物质影响。巷道底板之所以膨胀性很强，主要在于底板泥岩含有很多膨胀性矿物质，比如高岭石与蒙脱石在被水浸湿后会出现膨胀现象，随之水分子会流入晶胞层形成层间膨胀。在煤矿企业开挖巷道后，水沟中的积水也会导致铝质泥岩的强度下降，随之其体积也会发生膨胀，再受到地应力与岩柱压模的作用，底板岩层就会出现变形问题，随后会向巷道方向发生挤压，进而导致巷道底鼓程度加剧[3]。

②受高应力影响。很多软弱岩层或破碎带岩石都会受到高应力的影响，如若应力超出了岩层的最大强度，软弱、塑性物质就会沿其应力作用方向向临空区进行挤压，从而造成流动性破坏。由于巷道底层属于软弱碎泥岩，而顶部岩体强度要超过底板岩体，所以当遭受岩柱、地应力作用时，底板岩体会不断挤压巷道，进而出现底鼓问题。

③受开放式支护形式的影响。以往采用的是开放式底板支护形式，顶帮部锚杆使用的是树脂螺纹钢锚杆，在铺设完钢筋网后还喷涂了厚度在150mm的C30混凝土，结合巷道变形程度可发现在设置完锚索后，变形问题得到了一定的控制，但因帮部的支护强度有限，所以帮部也发生了一定形变，再加上底板未采取支护措施，这在很大程度上都会导致底板变形且无法采取有效措施进行控制。

3.在复杂地质条件下，提高煤矿掘进支护效果的有关措施

(1)优化掘进支护方案

针对不同地区的地质条件，煤矿企业需设计不一样的支护方案，在复杂地质条件下，以往采用的巷道掘进支护方案已无法满足掘进支护的实际需求，煤矿企业必须就支护方案进行全面优化。在实际作业中，支护设计人员要先了解煤矿复杂的地质条件，尤其是矿区三高一扰动情况，以往采用的刚性支护理念已无法满足巷道掘进支护需求，而“先让后抗”对策已成为企业巷道支护的首选。所以在明确深度巷道掘进支护方案的过程中，企业要意识到此点，如基于复杂地质条件开展的掘进支护工作，企业设计的支护方案要额外加强支护体的耦合性，其中可采用U型钢闭合环与锚网索支护相结合的方法，在刚开始支护的过程中，作业人员可借助锚网索进行支护，期间要为围岩变形预留充足的时间，以便围岩积聚的能量能得到良好的释放。之后便可使用U型钢闭合圈，使用卡缆将U型钢各连接处有效连接，如若围岩发生变形，闭合圈也会相应变化，这不仅能为围岩的变形提供一定的空间，还能增强支护阻力，进而达到限变增阻的作用[4]。结合矿区不同的地质条件，企业采用的掘进支护方法也不同。如巷道涌水量过大，在开展掘进支护作业时需使用疏堵水措施，在经过断层时采用的支护方法要结合断层特点，再合理运用后退卧底法等方法开展作业。

(2)应用临时支护技术

在煤矿掘进施工中，企业运用的综掘机是借助设备自身的液压系统进行工作的，设备是否稳定主要取决于液压系统，同时在应用实践的过程中作业人员还要重视液压系统停机、开机间的闭锁装置。据研究表明，在掘进施工作业中都是利用综掘机的液压锁来实现临时支护，该支护方法能确保掘进工作安全、稳定地进行。

(3)掘进机选择

煤矿采煤掘进工作中，掘进机是必不可少的机械设备之一，在实际作业中，施工人员还需要对开采地区的地质情况进行监测，从而选择最为适合的掘进机，提升开采效率。从当前情况来看，掘进机选择还需要充分考虑输送机液压、支架以及煤层条件等，只有选择最为适合的掘进机，才能够保证开采的顺利进行。煤层分为4类，其中包括极薄、薄、中厚以及厚煤层，其中极薄煤层厚度不超过0.8m，截高也较小，此时可选择使用爬底掘进机施工。针对薄煤层，最薄为0.8m，最厚为1.3m，截高不高于0.9m，掘进中可选择使用骑槽式掘进机施工。中厚煤层最小厚度为1.3m，最大厚度为3.5m，针对此类煤层，可以选择使用大功率采煤机施工。最后，针对厚煤层（3.5m以上），可选择使用大采高综采方式开展掘进施工。

4.技术方案

（1）落实巷道底鼓支护设计。依据巷道底鼓问题出现的原因，企业可使用铺设隔水层的方法进行解决，在隔水层的作用下能防止底板的膨胀性矿物遇水膨胀，进而导致底鼓问题。同时企业还可强化地板岩层的强度，使用底角锚杆和加固巷道帮角等支护方法也能防止底鼓问题的出现。所以针对1号井巷道企业可使用补打帮部锚杆支护、铺设隔网层防治水的对策来防治巷道底鼓问题，具体支护情况如图1所示。

图1 巷道底鼓支护图（单位：mm）

（2）超前支护。在掘进施工的过程中，如若工作面遇到断层破碎带，为了确保施工作业与人员的安全，企业要采用专业的施工技术与策略，以便作业能顺利通过断层带。结合断层破碎带的分布情况以及围岩体破碎程度等，企业可应用超前管棚加围岩体注浆相结合的超前支护技术。在布置管棚的过程中在相距断层28m便可落实管棚超前支护，其中管棚半径控制在31mm，间距为170mm，运用长短交错的布置形式，对长管棚限制在30m，短管棚限制在25m。在完成管棚布置工作后，作业人员还要开展围岩体注浆工作，不过在这一过程中作业人员要对围岩体注浆量、压力等进行合理控制，因为这些参数都会对注浆工作的效果产生极大的影响。通过注浆，原本松散破碎的围岩体会胶结成一个整体，这样围岩体的稳定性、强度等性能都可大幅提高[5]。

（3）后退卧底支护方法。在掘进施工作业中，为了提高作业的安全性并确保工程质量不受到影响，在复杂地质条件下，企业要采用科学、有效的方法进行支护处理。如若施工作业期间断层落差在顶板间2.5m范围内，企业便可使用后退卧底支护策略，由掘进机保持后退状态，以便卧底能不断前进，这种后退、卧底的方法不仅能增强巷道局部的高度、稳定性，还能满足巷道支护的要求。而且在具体应用的过程中，企业还要确保煤矿顶板足够完整，这样煤矿开采、掘进作业的安全性都能得到保障。如图2所示。

图2 采用后退卧底支护方法的巷道掘进情况

（4）壁后充填注浆加固。为了防止受围岩体表面不平整或者支护结构不科学等因素的影响，而导致巷道局部应力集中或支护阻力不足，企业可采用围岩体注浆以及壁后充填两种形式进行作业。通过开展壁后充填工作，其可有效消除支护应力不均的问题，同时可将U29型钢以及混凝土衬砌的承载能力大幅提高，而巷道的支护能力也能不断加强。在实际作业中，作业人员需事先预埋注浆管，注浆管的间距要在1.5m，排距要在1.4m左右，外露出来的注浆口不得小于20mm。在完成二次支护作业后，企业便可借助管道进行注浆与壁后充填作业[6]。为了防止注浆管出现堵塞情况，在注浆施工前作业人员要使用钻头清孔，清孔深度要在1m左右，之后便可使用水玻璃浆液进行注浆，而为了提高注浆效果，注浆压力要控制在2MPa左右。

（5）U型钢临时支护。如果断层落差大，在受到摩擦挤压后断层区域的岩性破碎，此时就要采用临时支护方法进行掘进支护。在此过程中，作业人员要使用U型钢配合锚杆一同进行顶板围岩支护，这样围岩锚杆区的整体性会大幅加强，见图3。不过除了开展临时支护作业外，企业还要利用锚杆索与其他措施相结合的方法来加固围岩。

图3 U型钢

5.采煤掘进支护技术发展展望

当前，我国在煤矿采煤掘进支护技术上取得了较大的成就，但是，因煤矿开采环境较为复杂多变，在未来的发展中，其应用还需要进行深入研究。

首先，需要重点对井下巷道围岩地质力学环境进行全面监测，并找到其分布的规律，从而更好地把握开采的环境，确保开采的安全性。

其次，还需要根据支护的实际需求，不断开发研究新的支护材料以及构件，满足不同地质的需求。同时，还需要积极开发加工高精度的设备，弥补支护构件质量的问题，全面提升支护技术。

第三，煤矿开采中，会遇到多种巷道类型，包括极软、超深或者受到强烈采动影响的地质，对煤矿开采造成了较大的难度，在未来的发展中，还需要积极创新支护技术，从而不断攻克难关。

6.结束语

总之，随着社会经济的发展，人们对煤炭资源有了更大的需求，在此背景下，我国煤炭行业也取得了快速的发展。煤炭作为一种不可再生资源，而我国开采煤炭历史极为悠久，所以当下的很多矿区都属于老矿区，随着人们开采的深入，开发难度逐渐加大，所以在复杂地质条件下，合理应用煤矿掘进支护技术就变得极为关键。