采礦工程巷道掘進和支護技術(shù)的應(yīng)用

郜曉龍

目前我國社會正處在飛速發(fā)展階段，隨著國家經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，我國對大量的礦石資源需求也在與日俱增。在礦石的開采過程中，必須要嚴(yán)格做好巷道掘進與支護工作，才能提高礦石生產(chǎn)開采工作的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。因此，本文將會分析和探究采礦工程巷道掘進與支護情況。

1 采礦工程巷道掘進與支護技術(shù)基礎(chǔ)介紹

巷道掘進支護是巷道掘進的前提，掘進前需要對巷道進行一定的處理才能進行后續(xù)掘進。地下礦山巷道數(shù)量多、使用周期普遍較長，且巷道的安全性要求也比較高，巷道的掘進與支護在地下礦山的生產(chǎn)和建設(shè)中占有極其重要的地位，是礦石開采的基礎(chǔ)工程。

目前在礦山基建工程建設(shè)中較為常用的巷道掘進鑿巖技術(shù)多為直眼掏槽和斜眼掏槽，在施工過程中會根據(jù)巖石性質(zhì)、地質(zhì)條件變化進行鑿巖布孔方式的改變，比如在遇到軟巖夾層時就會運用斜眼掏槽多打周邊孔進行掘進。在進行掘進時，需要相應(yīng)的鑿巖出渣設(shè)備作為支持進行配合工作，從而確保工作效率以及工作質(zhì)量，結(jié)合機械設(shè)備的力量將掘進工作進行系統(tǒng)化推進，很大程度上可以提升掘進工作效率。在巷道掘進工作完成之后，為支護作業(yè)的施工做好了準(zhǔn)備，在具體的支護作業(yè)中可結(jié)合具體的圍巖地質(zhì)進行支護技術(shù)選擇。在支護技術(shù)實施過程中需要注意永久礦柱的加固支護，以永久礦柱作為中心，在巷道的上下盤區(qū)進行永久礦柱的加固，很大程度上降低巷道的承壓力，可以保證開拓巷道日常行人安全；另外需要注意的就是永久礦柱巷道掘進支護施工時排水工作和通風(fēng)工作的開展，其很大程度上可以降低后續(xù)采礦工作受地壓的影響程度。

2 巷道掘進和支護技術(shù)現(xiàn)狀及重要性

2.1 巷道掘進和支護技術(shù)現(xiàn)狀

在巷道掘進中比較常用的技術(shù)主要有綜合機械掘進法、掘爆支一次成巷法、掘爆支分次成巷法。這三種技術(shù)在具體應(yīng)用各有優(yōu)缺點，應(yīng)用條件范圍存在較大差異。①綜合機械掘進法主要應(yīng)用在煤礦巷道的掘進施工，其是將多項設(shè)備結(jié)合在一起，以達(dá)到掘進的目的，具有高效快捷的特點，但應(yīng)用成本相對比較高，且技術(shù)效果容易受巷道圍巖硬度及機械設(shè)備質(zhì)量的影響。在該方法應(yīng)用過程中，一旦有機械設(shè)備出現(xiàn)故障，該技術(shù)可能就無法順暢的應(yīng)用，且無法較好應(yīng)用在圍巖相對較硬的金屬礦山。②掘爆支一次成巷法主要應(yīng)用于小型金屬礦山巷道的施工，其施工一般與巷道的支護，水溝、管線軌道的敷設(shè)一起進行，但如果大斷面巷道受爆破效果影響，無法一次成巷，因此該方法只能用于小斷面掘進施工。③掘爆支分次成巷法主要應(yīng)用于大型機械化程度較高的地下礦山，其具體的施工除爆破鑿巖外基本與一次成巷法一致，主要應(yīng)用于礦山的關(guān)鍵硐室、開拓系統(tǒng)中。總的來說，現(xiàn)如今，巷道掘進和支護技術(shù)的方法雖多，但是不同施工方法在應(yīng)用期間所發(fā)揮的作用效果各有不同，其應(yīng)用范圍也各不相同。

2.2 巷道掘進和支護技術(shù)應(yīng)用的重要性

巷道掘進與支護技術(shù)應(yīng)用的根本目的，就是為了提高施工的安全性和加快施工進度，增加掘進施工效率，提升礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益。在礦山開采期間，如果沒有巷道掘進和支護技術(shù)的有效應(yīng)用，那么諸多地下礦石資源都難以成功從地下被運輸?shù)降孛妫┕と藛T的作業(yè)安全也將難以得到保障。正是因為有效應(yīng)用了支護技術(shù)，巷冒頂片幫事故得以有效被預(yù)防，礦山生產(chǎn)安全性也得以保證。一般情況下，巷道掘進占用的工序時間占掘進總循環(huán)時間的60%以上，特別是掘進的出渣環(huán)節(jié)，因此巷道施工如何更加安全有效的節(jié)省掘進環(huán)節(jié)的工序時間，如何采用更加先進的掘進技術(shù)，如何更加合理的優(yōu)化掘進的施工工序是提高巷道施工效率的要點。而巷道的支護又是保證巷道的安全穩(wěn)定，使巷道掘進后圍巖不會發(fā)生變形、垮落的關(guān)鍵，因此合理選擇支護形式，掌握支護要點，對巷道施工具有很大的促進作用。

3 采礦工程掘進技術(shù)的應(yīng)用方法要點

掘進工作是采礦工程前期的關(guān)鍵工作，其作業(yè)水平質(zhì)量直接影響甚至決定著后續(xù)礦石開采的整體水平與效率。文章本部分將對采礦工程掘進技術(shù)的應(yīng)用方法要點、設(shè)備選擇進行分析研究。

（1）常用掘進技術(shù)方式。當(dāng)前我國地下金屬礦山機械化程度的提高極大的提高了巷道的掘進效率。然而，在巷道掘進過程中，必須要結(jié)合實際情況來與掘進設(shè)備相結(jié)合，以此來確保掘進施工過程中的安全性和有效性。如今，井下機械化設(shè)備大多數(shù)為供電、運輸、鑿巖、裝巖、支護設(shè)備，因此在大斷面掘進過程中，爆破的施工是比較關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，實際的工作中需要結(jié)合圍巖特性進行，來保證巷道掘進的效率和質(zhì)量。目前我國普遍采用的控制巷道輪廓的爆破方法主要為光面爆破，光面爆破巷道成型規(guī)整，巷道很少出現(xiàn)超欠挖，同時也能減少爆破震動對巷道圍巖產(chǎn)生的破壞，更加有利于巷道后期的支護。此外，目前國內(nèi)也研發(fā)了掘支一體設(shè)備，這種設(shè)備是一種全斷面快速掘進設(shè)備，目前已在一些大型礦山裝備，該設(shè)備的特點是將井巷的巖石根據(jù)設(shè)計要求一次切割成型，高效裝載、快速推進、精準(zhǔn)導(dǎo)向，實現(xiàn)一次性掘支同步完成，具有智能化遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)控的性能，能夠滿足礦山掘進作業(yè)時的安全、高效、綠色、環(huán)保、信息化、機械化需求，這種設(shè)備在今后的不斷優(yōu)化改進中勢必會得到大規(guī)模運用，勢必會帶來礦山開采技術(shù)的進一步革新。

（2）掘進水害防治工作。在進行掘進施工過程中，水害的防治是比較常見的安全隱患，需要引起足夠的關(guān)注和重視。因此，在巷道掘進工作進行前，要采取有效措施來進行水文地質(zhì)勘查工作，做好水害防治處理預(yù)案。在掘進過程中如遇疑似出水點，必須進行超前探水，保證巷道掘進的安全。同時，巷道掘進工作如出現(xiàn)少量出水時，必須要對涌水量給予實時、動態(tài)監(jiān)測，以確保涌水量符合相關(guān)安全要求。面對水文地質(zhì)復(fù)雜的礦山環(huán)境，國內(nèi)對于水害的防治措施主要從“查、探、防、堵、截、排”六個技術(shù)要點出發(fā)進行施工，具體較先進的水害防治技術(shù)主要有“突水陷落柱阻水塞快速建造技術(shù)”、“高壓動水大流量下巷道快速截流技術(shù)”、“地面順層孔快速截流堵源技術(shù)”、“地面順層孔超前區(qū)域治理成套技術(shù)”、“復(fù)雜介質(zhì)大型帷幕建造技術(shù)”等。

（3）通風(fēng)防塵工作。在巷道掘進工作中，通風(fēng)防塵工作是非常重要的環(huán)節(jié)，新的金屬非金屬礦山安全規(guī)程不僅對采掘工作面風(fēng)流的氧氣、二氧化碳、含塵量等有相關(guān)要求，而且對工作面的供風(fēng)量、風(fēng)速、空氣溫度均進行了具體規(guī)定。因此，巷道掘進作業(yè)時，通風(fēng)也是主要考慮的重點。在進行巷道通風(fēng)工作時，需要根據(jù)實際的施工情況來對通風(fēng)機設(shè)備、風(fēng)筒布置等進行科學(xué)合理選擇，以此來確保通風(fēng)機的有效風(fēng)量及在多種復(fù)雜條件環(huán)境下通風(fēng)機發(fā)揮有效作用。在通風(fēng)防塵設(shè)計整體規(guī)劃時，要按照要從整體的角度出發(fā)，對通風(fēng)防塵工作給予全面、系統(tǒng)的規(guī)劃，以確保巷道掘進工作的安全、高效。目前我國地下礦山掘進作業(yè)面主要采用的通風(fēng)方法從通風(fēng)動力上劃分主要有自然通風(fēng)和機械通風(fēng)兩種，從通風(fēng)機在作業(yè)面安裝的位置不同進行劃分主要有壓入式、抽出式、壓抽混合式。通風(fēng)方式的具體設(shè)計選擇及風(fēng)筒的大小均需要根據(jù)需風(fēng)量、風(fēng)阻、炸藥使用量、通風(fēng)距離等進行綜合考慮，然后通過詳細(xì)的計算進行選擇。

（4）巷道掘進設(shè)備的選擇。巷道的掘進包含打眼、爆破、通風(fēng)、裝運巖、支護等環(huán)節(jié)。巷道掘進打眼設(shè)備主要有鑿巖機、鑿巖臺車、潛孔鉆機等，其主要是通過動力傳動裝置帶動鉆桿鉆頭進行高速旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)在巖石中打孔的目的。因此鑿巖設(shè)備的合理選擇有助于提高巷道鉆孔效率、鉆孔質(zhì)量，同時也將對采礦掘進作業(yè)整體成本帶來重大影響。爆破工作是巷道掘進整個流程中相對簡單的工作，但卻是技術(shù)性最高、危險性最大的一項工作，爆破器材主要有炸藥、雷管、導(dǎo)爆管、炮泥等組成。巷道的通風(fēng)設(shè)備主要有離心式風(fēng)機和軸流式風(fēng)機兩種。巷道掘進中的裝巖工作是掘進循環(huán)作業(yè)中最繁重又耗費工時的工序，先進的機械化設(shè)備及合理的施工調(diào)度可以提高裝巖效率，縮短施工時間，減少工人的施工強度。我國常用的裝巖設(shè)備主要有裝巖機、裝運機、耙渣機、電耙等。井下巷道的支護設(shè)備主要包括錨桿機、噴漿機、注漿設(shè)備等，具體的選擇與支護方式的選擇相聯(lián)系。

4 采礦工程巷道掘進技術(shù)的應(yīng)用

4.1 永久性支護技術(shù)的應(yīng)用

在巷道掘進完成后，必須及時進行永久性支護。因此，采礦技術(shù)人員需結(jié)合圍巖特性確定具體支護方式。永久性支護主要分為錨網(wǎng)支護技術(shù)、預(yù)制鋼支架支護技術(shù)、混凝土支護技術(shù)等形式。錨網(wǎng)支護技術(shù)的支護效果較為理想，經(jīng)濟性和安全性優(yōu)勢也尤為明顯。常見的錨網(wǎng)支護技術(shù)有錨桿網(wǎng)支護、錨索網(wǎng)支護，二者性能存在明顯差異，選用材料也有不同。在安裝錨桿、錨索的過程中，要求施工人員依據(jù)圍巖的差異、圍巖松動圈的不同來確定其具體型號。同時，在安裝過程中，錨固劑的選擇也有較多種類，具體施工要依據(jù)不同圍巖情況進行選擇。預(yù)制鋼支架技術(shù)采用預(yù)制的鋼支架，在礦山掘進過程中進行一次性施工，以維護頂板的安全，該技術(shù)支護強度大，投入成本也大，但安全有效通過交叉圍巖。常見的鋼支架多為工字鋼拱形和梯形形式。混凝土支護技術(shù)包括澆砼支護技術(shù)、噴砼支護技術(shù)。澆砼支護技術(shù)主要用于礦山開拓工程的主要巷道、硐室，通過澆砼形成整體承載來抵抗圍巖應(yīng)力，能夠防止圍巖較大變形，形成整體防護，確保主要工程的安全。噴砼支護是一種快速支護技術(shù)，往往用于圍巖十分穩(wěn)固的巷道，但通常也與鋼架、錨網(wǎng)相結(jié)合使用。

4.2 臨時性支護技術(shù)

臨時支護指為達(dá)到巷道掘進工作中的臨時性而必須開展的支護工作。為確保臨時性支護品質(zhì)，運用時要重視掌握以下幾點：一方面，確定臨時支護前的永久支護方式，不同的永久支護方式其前期的臨時支護也不同。巷道選擇錨網(wǎng)噴永久支護時，應(yīng)采用素噴漿臨時支護，施工便捷，工藝簡單，成本較小。巷道選擇預(yù)制鋼支架進行永久支護時，其臨時支護應(yīng)選擇鋼性護頂材料支護，目前國內(nèi)部分礦山此類情況一般選擇前探梁預(yù)支護、超前導(dǎo)管預(yù)支護等多種形式。巷道頂板跨度較長、斷面較大時，需要采用特制機載臨時支護裝置，這種裝置目前正在國內(nèi)一些大型礦山進行設(shè)備改裝推廣，該裝置部件結(jié)構(gòu)簡單緊湊、連接強度高,易拆裝,無復(fù)雜操作,使用安全、維修簡單方便，可實現(xiàn)了機械化支護作業(yè),適應(yīng)井下惡劣的環(huán)境,大大降低了工人的勞動強度,提高了勞動效率,為掘進施工提供了安全保障。修復(fù)鋼架巷道在支護時一般采用單體螺旋點柱進行臨時支護，該技術(shù)是在拆除舊鋼架或者維修鋼架的下方，沿巷道縱向支設(shè)單體支柱，單體支柱頂部需加設(shè)墊板，然后旋轉(zhuǎn)舵盤將單體點柱升起，使墊板和被支護鋼架牢牢固定，臨時支護完成。

4.3 巷道修復(fù)支護技術(shù)

近年來，由于受采動、構(gòu)造、布置、支護等綜合因素影響，一些地下礦山主要巷道在掘進和回采過程中變形和破壞較為嚴(yán)重，影響了礦井的正常生產(chǎn)秩序。由于巖層構(gòu)造復(fù)雜，具有軟巖特征顯著，高地應(yīng)力等特點。特別是采準(zhǔn)巷道在受采動壓力、礦柱殘余應(yīng)力和高地應(yīng)力等的多重影響后，使巷道一年維修5次～6 次，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，導(dǎo)致采掘接替失調(diào)。針對大變形的巷道，為了保證生產(chǎn)往往需要進行修復(fù)，較為有效的巷道修復(fù)支護技術(shù)目前有U 型鋼支護技術(shù)、預(yù)注漿支護技術(shù)等。

U 型鋼支護技術(shù)在應(yīng)用過程中對金屬支架的伸縮性有著極高要求，一旦圍巖發(fā)生變形可迅速起到支護效果。U 型鋼支護技術(shù)和支護形式主要有全封閉U 型鋼支架和半封閉U 型鋼支架兩種。全封閉U 型鋼支護技術(shù)即將U 型鋼提前加工成圓形或橢圓形的幾組構(gòu)件，支護時通過U 型鋼卡子進行連接，這種支護技術(shù)充分考慮圍巖的支護讓壓和支護抗壓原則，既可以承受較大的垂直地壓，又可以承受較大的水平地壓，施工簡單、拆卸方便，同時可以根據(jù)工程地質(zhì)的特點，對來壓部位提前進行補強與事后泄壓，以確保支護的長期有效性。半封閉U 型鋼支護技術(shù)及底板不進行支護的一種技術(shù)，但往往因為垂直方向的地壓導(dǎo)致U鋼架發(fā)生破壞，從而影響支護效果。

預(yù)注漿支護技術(shù)較為復(fù)雜，是先通過對破碎圍巖進行預(yù)注膠結(jié)材料，使巷道的圍巖進行改性，增加其抗地壓破壞能力，然后再進行永久支護的技術(shù)。圍巖注漿加固往往與其他巷道支護形式結(jié)合起來使用，它可以改善圍巖巖性和應(yīng)力分布，縮小圍巖變形，減輕支架承受的外載壓力，改善支架的受力情況。但從部分礦山應(yīng)用注漿支護技術(shù)反饋的意見來看，該技術(shù)應(yīng)用的前提是巷道破碎的圍巖中存在裂隙，假若巷道圍巖為膨脹性矽卡巖，注漿材料將很難深入巖石縫隙。

4.4 聯(lián)合支護技術(shù)

巷道在支護過程中往往面臨著十分復(fù)雜的地質(zhì)、圍巖環(huán)境，若圍巖為富水軟巖，支護難度會進一步增加，單純的采用某一種支護方法，其效果并不理想，所以如今國內(nèi)已形成了錨桿錨索聯(lián)合支護及錨注網(wǎng)、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護技術(shù)等，將不同的支護技術(shù)進行聯(lián)合使用并采取一定的泄壓方式，可以使每一種支護技術(shù)發(fā)揮出最大價值，明顯提高支護效果。針對復(fù)雜圍巖巷道支護現(xiàn)場實踐來看，采用普通錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼絲（繩）網(wǎng)、噴射混凝土、注漿、澆筑混凝土、鋼支架、卸壓槽等形式進行組合，形成有效的巷道支護方法。

4.5 圍巖再造支護技術(shù)

對于一些老礦山，因礦山資源價格升高等原因，前期未進行回收的礦石資源需要后期再次進行回收。因此，后期就需要利用原開拓工程進行進一步的采切回采，但由于巷道維護缺乏、地壓變化等原因，巷道形變量大，且存在冒落空頂?shù)墓こ滔锏?，正常支護技術(shù)無法滿足使用，這種情況下選擇圍巖再造支護技術(shù)比較合適。建有充填系統(tǒng)的礦山可以通過調(diào)整充填漿灰沙比來對原形變量大進行充填治理，使巷道的圍巖達(dá)到合理強度，然后在進行開掘。充填改造支護技術(shù)在建有充填系統(tǒng)且圍巖較差的礦山經(jīng)常進行使用，這種圍巖再造支護技術(shù)目前暫無系統(tǒng)性的研究理論，但實際生產(chǎn)中效果較好，適合建有充填系統(tǒng)的礦山進行使用。礦山無充填系統(tǒng)的，可以采用納米粘結(jié)材料灌注支護技術(shù)，該支護技術(shù)主要是通過加壓設(shè)備將納米粘結(jié)材料注入預(yù)定巷道位置，巷道圍巖裂隙、松動圈等圍巖形變空間經(jīng)過納米粘結(jié)材料的粘結(jié)，圍巖重新進行了改造，達(dá)到一定的強度后再次進行巷道的開掘。目前這種納米粘結(jié)材料灌注圍巖再造支護技術(shù)在國內(nèi)許多科研院所、采礦高校均進行過不同程度的研究，也取得了一定的研究成果，未來通過粘結(jié)材料的進一步發(fā)掘與改進，這種支護技術(shù)將會更加普遍的應(yīng)用在礦山的施工中。

5 結(jié)語

在采礦工程專業(yè)項目實施過程中，為了更好地保證礦山巷道掘進支護品質(zhì)、生產(chǎn)安全和經(jīng)濟成本、施工進度等，因此，務(wù)必要進一步重視掘進技術(shù)方式的選擇和落實，把握巷道圍巖的性質(zhì)，重視工程支護體制的創(chuàng)建，健全工程質(zhì)量檢查的體系，保證所選擇的支護方式、掘進施工技術(shù)各項關(guān)鍵點的落實，從而才能更好的提升公司經(jīng)濟效益，保證礦山安全生產(chǎn)。同時在礦山的巷道施工技術(shù)選擇上要充分論證巷道的工程地質(zhì)條件，通過詳細(xì)的地質(zhì)勘察與巖石強度分析、水文條件分析，針對不同的地質(zhì)圍巖情況，選擇不同的巷道掘進技術(shù)及支護方式，確保巷道的長久使用， 防止巷道發(fā)生反復(fù)破壞后進行反復(fù)無用支護，從而才能更好的提升巷道的服務(wù)年限，減少工程浪費，降低工程投資。

對此，采礦技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)詳細(xì)掌握掘進與支護各種技術(shù)方式，充分了解其適用條件，進而充足把握關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵點，從而保證才能保證巷道掘支施工的安全，控制好其施工成本，推動礦山高質(zhì)量安全發(fā)展。