*徐世華
(天全縣天民昂州煤炭有限公司昂州煤礦北礦 四川 625599)
巷道是煤礦開采過程中,為滿足采礦提升、運輸、通風、排水、動力供應等生產(chǎn)需求而挖掘建設的通道,其施工建設質量與采礦作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性息息相關。隨著采礦工程的規(guī)?;?、復雜化發(fā)展,巷道掘進與支護施工的技術難度也在不斷增大。因此,為更好地保證采礦作業(yè)的安全性,施工單位有必要在明確煤礦巷道基本施工特點的基礎上,對掘進與支護施工的質量影響因素、主要技術形式和施工要點進行深入探討,以此進一步提升技術應用規(guī)范性和施工建設的質量性。
在現(xiàn)代煤礦采礦工程中,巷道施工普遍具有以下特點:(1)安全風險因素多。煤礦采礦工程中的巷道,多設置在煤層區(qū)域附近,若煤層中含有瓦斯氣體且巷道施工質量不達標,則很容易出現(xiàn)瓦斯氣體滲透擴散到巷道中的情況,存在較大的瓦斯爆炸安全風險。又如,部分廢棄礦井可能出現(xiàn)水害問題,若巷道施工質量不達標,很容易發(fā)生透水安全事故。(2)施工難度大,技術要求高?,F(xiàn)代采礦工程具有巷道長度大、采礦作業(yè)面多且布設分散等特征,以至于巷道工程的施工體量比以往明顯提升。出于施工效率和成本方面的考慮,在實際施工過程中會使巷道穿過一些強度偏弱的煤層或巖層。為了保證巷道結構的可靠性,則需要結合實際情況,科學選擇最佳的掘進與支護施工技術。同時,為滿足生產(chǎn)需求和安全性需求,需要對巷道進行更為科學、復雜的通風設計,以此保證巷道通風性,避免發(fā)生瓦斯爆炸事故。由此可見,巷道施工具有施工難度大,技術要求高的特點[1]。
施工經(jīng)驗表明,圍巖強度對于巷道掘進與支護施工的質量性以及巷道結構的穩(wěn)定性具有直接的影響?!皣鷰r”指的是巷道周圍一定范圍內(nèi),對洞身穩(wěn)定性有直接影響的巖(土)體。若其強度較大,則自身結構穩(wěn)定性較好,能夠為巷道提供足夠的支撐力,保證巷道掘進和使用過程的安全性;反之則容易發(fā)生巖體位移、巖石層坍塌等問題,增大巷道掘進和使用過程的安全風險[2]。
巷道斷面的形狀和尺寸也是影響掘進與支護施工安全性以及巷道結構穩(wěn)定性的一個重要因素。若巷道斷面的性質、尺寸設計與實際情況(需求)不符,則會出現(xiàn)巷道結構應力分布不均、結構承載力不足等情況,嚴重威脅巷道的穩(wěn)定性和安全性[3]。
地應力變化是對巷道掘進與支護施工影響最為明顯的因素。施工過程中,若巖體結構發(fā)生較為明顯的位移,則會產(chǎn)生較大的地應力,當?shù)貞Τ^巷道支撐結構最大承受限度時,便會對支撐結構造成破壞,使其出現(xiàn)形變、裂縫,甚至坍塌等問題,從而嚴重影響巷道施工和使用的安全性。
以往,煤礦采礦工程巷道掘進施工主要采用“鉆爆法”進行作業(yè),即利用氣腿式鑿巖機在指定點位打眼,然后利用炸藥爆破的方式破碎指定區(qū)域內(nèi)的巖體,以此逐步完成巷道斷面和洞室的掘進作業(yè),其主要包含“鉆孔”“裝藥爆破”“通風”“支撐”“出渣清場”五個基本工序。此類掘進技術雖具有技術成熟度高、實用性強、應用成本低等特點,但存在工序復雜、施工效率低、施工材料管理要求高、對圍巖穩(wěn)定性不利等技術弊端,如今已很少使用。隨著工程機械技術的快速發(fā)展,現(xiàn)階段煤礦采礦工程中廣泛采用綜合機械化掘進技術進行巷道掘進施工。
依托現(xiàn)代化工程機械的支持,綜合機械化掘進技術能夠有效改善傳統(tǒng)巷道掘進技術的不足,不僅能夠顯著提升掘進施工的效率和安全性,還能夠很好地滿足大斷面煤巷的掘進施工需求。目前,該掘進技術應用過程中,主要用到轉載機、錨桿鉆機、懸臂式掘進機、連續(xù)采煤機等機械設備,通過多種現(xiàn)代化工程機械設備的綜合運用,對截割、裝載、運輸?shù)裙ば蜻M行整合,以此全面提高掘進作業(yè)的速度和質量[4]。
①做好地質勘探工作
鑒于圍巖強度、地應力等因素對于巷道掘進與支護施工具有顯著的影響。為保證巷道掘進施工能夠順利、安全、高效的開展,施工單位必須重視并做好施工區(qū)域地質勘探工作。具體實踐過程中應注重以下要點的把握:首先,需要委托專業(yè)水平高、實踐能力強、工作經(jīng)驗豐富的地質勘查機構來完成地質勘探工作,以此確??碧浇Y果的準確性。其次,要明確勘探工作范圍并細化勘探內(nèi)容。應要求勘探機構將采礦工程所在區(qū)域的整個山體及其周圍區(qū)域全部納入到地質勘探范圍內(nèi),同時從巖石、地層、構造、水文、地貌等層面出發(fā),對勘探內(nèi)容進行細化,以此確??碧絻?nèi)容的全面性和細致性。最后,根據(jù)勘探報告對巷道掘進施工區(qū)域的地質情況(如:圍巖強度、地下水分布、持力層承載力等指標)進行科學評估,在此基礎上提出科學合理的掘進施工方案和技術措施。例如:當圍巖強度不足時,可利用超前注漿技術在掘進施工前對圍巖進行加固,以此達到堵塞水流、提升圍巖強度和結構穩(wěn)定性的目的,確保巷道掘進施工的安全性[5]。
②優(yōu)化施工機械配置
為提升綜合機械化掘進技術的應用水平,確保巷道掘進施工得以持續(xù)、高效地進行,施工單位需要在綜合考慮巷道斷面特征、現(xiàn)場環(huán)境、施工需求等多種因素的基礎上,做好施工機械設備的配置工作,合理優(yōu)化機械設備的配置方案,以便為掘進施工提供有力保障。例如:在選擇掘進機時,應從巷道斷面傾倒、施工區(qū)域地質情況、工程實際施工標準等出發(fā)進行科學考量。若巷道斷面偏大、破巖難度偏高,則優(yōu)先選用大功率重型掘進機械設備,確保能夠順利完成掘進任務;反之,在可確保掘進設備工作性能滿足施工需求的基礎上,優(yōu)先選擇輕型掘進設備,因為此類機械設備不僅采購(租賃)成本較低,而且更具作業(yè)靈活性。此外,施工單位還需根據(jù)巖石硬度、巖層結構等信息,合理選擇掘進機的截割頭結構及運行功率,在確保機械設備作業(yè)效率的同時,降低故障幾率,保證掘進施工的效率和質量。
應用到我國煤礦掘進施工支護中的技術類型較多,在具體的實踐中,要結合巷道的實際情況,選擇匹配性較強的支護方案和支護技術類型,現(xiàn)有支護技術分類如表1所示。
表1 采礦工程巷道支護技術分類
目前,煤礦采礦工程中常用的巷道支護技術有:
①錨桿支護技術。該技術的應用能夠有效提升巷道圍巖結構的承載能力,具有支護效果好、適用性強、穩(wěn)定性高等應用優(yōu)勢。在現(xiàn)階段的巷道掘進與支護施工中,通常將該技術與注漿加固支護技術聯(lián)合使用,即先利用錨桿支護技術修復破損巷道結構,再對巷道結構進行注漿加固,這樣可有效避免結構裂縫的產(chǎn)生,獲得更好的支護加固效果。同時,錨桿支護技術還能夠有效預防底鼓問題的發(fā)生,尤其是巷道底板底鼓問題。例如:在對深部巷道圍巖進行支護時,通常采用沿空掘巷組合錨桿支護結構(見圖1)。
圖1 沿空掘巷組合錨桿支護結構示意圖
②棚式支護技術。棚式支護是一種廣泛使用的巷道支護技術,其具有應用便捷、成本低、穩(wěn)定性良好、實用性強等諸多優(yōu)勢。該技術應用過程中,需要準確掌握圍巖狀態(tài),了解圍巖移近量及相關指標參數(shù),然后利用數(shù)據(jù)分析、概率分析等數(shù)據(jù)處理方法,對巷道預期圍巖移動量數(shù)值進行科學計算,在此基礎上,結合巷道埋深、頂板巖層平均單向抗壓強度、底板巖層平均單向抗壓強度值等施工參數(shù),對支護架承載力、棚距等技術參數(shù)進行合理確定,以此確保支護效果。
③卸壓增阻弱結構補強支護技術。該支護技術多用于巷道掘進施工前,其作用原理為:利用鉆孔卸壓和煤層注水方法的技術手段,提升煤體的摩擦力及自身黏結力,以此產(chǎn)生卸壓增阻的效果,一定程度上提升煤體結構的穩(wěn)定性,保證巷道掘進的安全性[6]。
①明確技術參數(shù)指標
在進行巷道支護施工時,施工單位應結合現(xiàn)場實際情況,明確技術實踐應用時的具體參數(shù)指標,以此確保支護施工的質量性以及技術應用的科學性。以棚式支護技術的實踐應用為例,若巷道圍巖非常穩(wěn)定,頂?shù)装孱A計位移率<5%時,宜采用剛性錨桿支護,錨桿設置間距為1m,單根錨桿的錨固力控制在50~70kN范圍內(nèi),布設密度控制在每平方米1根;若巷道頂?shù)装孱A計位移率在5%~10%之間,宜采用剛性錨桿(金屬支架)支護,錨桿設置間距為0.8m,單根錨桿的錨固力控制在50~70kN范圍內(nèi),布設密度控制每平方米1根~1.2根;若巷道頂?shù)装孱A計位移率在10%~20%之間,宜采用拱形或梯形可伸縮支架進行支護,棚距宜控制在0.6~0.8m范圍內(nèi),垂直方向可伸縮量控制在200~400mm之間,布設密度控制每平方米1.2根~1.5根等[7]。
②復雜條件下支護技術的運用
隨著我國采礦行業(yè)的不斷發(fā)展,煤礦礦井的深入和規(guī)模不斷提升。在深井巷道掘進施工過程中,難免會遇到較為復雜的環(huán)境條件,此時采用單一類型的支護技術很難滿足施工生產(chǎn)安全性的需求,往往需要多種智慧技術的整合運用。例如現(xiàn)階段較為常見的組合式支護技術有:A.二次錨網(wǎng)噴支護技術,即巷道掘進過程中,先利用高強度錨桿或可伸縮錨桿對圍巖進行一次支護,待圍巖達到一定變形量后再利用錨網(wǎng)噴技術進行二次支護,該技術既能夠保證巷道掘進的施工效率,又能夠有效應對復雜情況提供更有力的支撐保護;B.“錨索+鋼帶支護+噴射加鋼絲”混合支護技術。通過多種支護技術的整合運用,有效應對復雜的圍巖結構條件,不僅能夠獲得出色支護效果,有效保證施工生產(chǎn)的安全性,還能夠一定程度上減少后期起底的任務量。
綜上所述,巷道掘進與支護施工是煤礦采礦工程施工建設的關鍵性環(huán)節(jié)。新時期背景下,為更好地保障采礦工程建設生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性,煤礦企業(yè)及相關施工單位應該高度重視巷道掘進與支護施工環(huán)節(jié),在明確施工影響因素的基礎上,準確掌握掘進與支護的主要技術和實施要點,以此最大限度保證巷道掘進與支護施工的質量。