重视围岩控制，撑起深部开采“保护伞”
文摘
2024-11-04 16:30
北京
围岩控制是煤矿安全生产的基础，也是掘进提效的前提。随着煤矿采深不断加大，在近期多个技术交流会上，多名专家学者强调巷道支护、围岩控制对煤矿的重要性，并建议针对不同巷道条件，创新开展具体、有效的支护措施。如何理解围岩控制
围岩控制即控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取措施的总和。在实践中，煤矿应根据巷道围岩压力、围岩强度以及相互关系，正确选择巷道布置和支护方法，使巷道位于应力降低区内，从而减轻或避免因回采引起支承压力的强烈影响，控制围岩压力。我国煤矿地处不同区域，地质构造条件不尽相同。受岩石性质及构造特征影响，掘进遇到强度较低的软弱岩层时，很容易发生冒顶，如泥质胶结的页岩；对于坚硬岩层，受力后不易变形和破坏，但一旦发生冒落，其规模及强度可能较大，如砂岩。岩石的构造特征对巷道变形破坏性质和规模也有影响，如巷道顶板中有弱面（应力薄弱面）时，容易引起顶板岩层的离层甚至冒顶。随着开采深度的增加，巷道上覆岩层重量增大，形成的支承应力较大，增加巷道变形及破坏的可能性。地下岩层温度随开采深度增加而升高，会使围岩由脆性向塑性（延伸率大于5%）转化，容易发生巷道变形。此外，煤层倾角不同，会使巷道破坏形式有差异，如水平或倾斜煤层巷道中多出现顶板弯曲下沉、冒落；急倾斜煤层巷道多出现鼓帮、底板滑落以及顶板抽条冒落等现象。矿井水容易使碎岩块之间的摩擦系数减小，降低岩石强度等等。专家学者指出，围岩失控的主要表现形式是巷道大变形。采掘过程中，一些巷道出现1米、2米围岩大变形现象，有的巷道变形量甚至更大。围岩变形持续时间长，顶板下沉、两帮被挤出、底鼓强烈等现象严重。传统单一支护很难控制住巷道大变形。矿区往往根据实际情况，采取两种或三种以上工艺方法，加强巷道支护质量。将被动支护变为主动支护
中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普在日前召开的全国煤矿复杂难采煤层开采现场会上指出，我国煤矿巷道围岩控制技术主要有支护法、加固法、应力控制法和联合法。支护法即将支护力作用在巷道围岩表面，如采用型钢支架、喷射混凝土、砌碹；加固法即深入围岩内部，保持围岩自承能力，如应用锚杆、锚索，注浆；应力控制法即减少或转移巷道周围高应力，如采用不同开采方法、差异化布置巷道、人工卸压；联合法即使用两种或多种巷道围岩控制方法，如锚喷与注浆。“如今，支护技术原理、工艺方法持续变革，产品日新月异，思路正从被动单一因素防治向主动全要素协同控制转变。”中国矿业大学教授李桂臣在近期召开的新质生产力赋能能源行业高质量发展研讨会上表示，如锚杆悬吊+架棚支撑+喷层和网、锚杆强化+组合加固+注浆加固、卸压+应力补偿+层位选择、卸压+锚固+改性等形式。在最新进展上，康红普及其团队提出“支护—改性—卸压”时空协同控制和“主动支护—高预应力锚杆与锚索支护技术”，并已在多个矿井实践应用。“‘支护—改性—卸压’时空协同控制即先进行锚杆锚索高预应力主动支护。针对围岩裂隙发育，应用高应力劈裂注浆主动改性，提高巷道强度、锚固力和完整性；完成‘支护—改性’后，选择合理层位，在工作面采动应力升高前卸压，减小侧方悬顶和采空区后方悬顶面积，降低应力集中程度。对于软岩，及时喷浆封闭，防止围岩遇水软化、膨胀以及风化极为重要。”康红普表示。经了解，这是一种通过时间与空间协同，控制应力强度，进而控制变形的技术新思路，核心在于把过往在巷道里被动支护转变为地面与井下联合主动提前支护，争取更多的围岩控制时间。在这项技术中，锚杆与锚索的韧性与强度尤为重要。为此，中国煤炭科工集团研发出高预应力高强度锚杆等新型支护材料，配合理论发展。锚杆具有足够延伸率和冲击韧性，使围岩连续变形释放，避免局部破坏。“通过高预应力锚杆与锚索主动支护，在锚固区形成预应力承载结构，从而减小偏应力，控制围岩不连续、不协调的扩容变形，保持围岩完整性。”康红普指出。如今，主动支护技术在多个矿区开展了试验。国家能源宁煤清水营煤矿水致劣化软岩巷道支护实例、淮北矿业信湖煤矿深部矿井软岩小煤柱沿空掘巷支护实例、中煤新集口孜东矿千米深井软岩回采巷道支护实例中，均取得了良好效果。开采新情况带来支护新问题
我国煤田地质条件复杂，整体呈现出错综复杂样貌。神府—东胜煤田地质变化相对较少，煤层厚，围岩控制上有优势；开滦煤田水文地质条件复杂，基岩裂隙发育明显，岩层透水性较好，使煤层含水量变高，进而对掘进与支护产生影响；川南煤田煤层倾角大、断层多，水文地质条件相对复杂，对巷道支护要求较高。中煤科工开采研究院有限公司研究员吴拥政指出，当前，巷道采用传统支护理念、材料、技术，未对冲击地压巷道的复杂性和特殊性作出思考。而90%以上冲击地压事故发生在回采巷道中，巷道支护系统的抗冲击性能直接关系着冲击地压发生后巷道的破坏程度。“传统的锚杆支护难以满足冲击条件下巷道围岩控制要求。巷道围岩出现大变形，支护材料及构件破坏失效，甚至发生坍塌冒顶事故。大量锚杆、锚索破断失效，支护构件被撕裂和破坏。”吴拥政在开展一系列实验基础上指出。他建议，冲击地压巷道应优选抗冲支护材料，如高强度、高冲击韧性锚杆，锚杆屈服强度大于等于800兆帕，冲击吸收功达到国家标准，必须采用全长或加长锚固；优选高延伸率锚索，锚索破断强度大于等于1700兆帕，直径大于等于20毫米，延伸率大于5%；优选抗冲击防松锚具。此外，应合理设计和提高锚杆和锚索的强度、冲击韧性、延伸率等力学指标。托板强度与支护系统相匹配，并适当增大护表面积。优先采用钢带与双层金属网护表，选用抗冲击液纹编织钢筋网，“上钢下经”组合形式抗冲击性能更优。护表支护对冲击破坏有明显的控制作用，优先喷涂护表吸能支护等。“目前，抗冲材料具体标准方面相对空白。建议制订冲击地压巷道锚杆、锚索等支护材料及构件的相关标准。”吴拥政说。在大埋深、高应力环境、构造复杂、围岩软弱、含水层影响等复杂因素叠加下，南方煤矿煤岩体巷道围岩稳定性及安全空间构建，逐渐成为建设安全高效矿井和释放优质产能的瓶颈。不同于北方矿区，南方矿区地质构造复杂，如四川、湖南、贵州、云南、广西等地区。深部岩体裂隙发育程度高，龙潭组煤系地层占西南地区总资源量85%以上。裂隙岩体、泥岩等在环境、应力作用下，给巷道空间稳定性带来巨大挑战。湖南科技大学教授余伟健在近日召开的2024年全国煤矿安全、高效、绿色开采与支护技术新进展研讨会上指出，受岩体应力效应、岩体强度弱化、开采扰动影响、动力冲击破坏、裂隙扩容效应、流固耦合效应等多种致灾源作用机制影响，南方矿井围岩治理难度较高。“多重变形失稳形式并存，比如围岩流变挤坏支护结构、松动变形压力折损支架、动力灾害冲破关键部位；非对称不均匀变形普遍存在，比如帮部围岩不均匀滑出或帮部不同部位鼓出、顶板岩体不均匀下沉、底板不规则鼓起。”余伟健指出南方矿井支护系统受破坏形式。因此，余伟健及团队针对南方地区复杂困难条件下，特别是高瓦斯破碎煤岩体、深部裂隙岩体、松散岩体等巷道支护控制难题等，展开了项目研究。他们以典型南方矿区薄煤层半煤岩巷道为基础，提出基于接触面滑移的薄煤层半煤岩巷道不均匀变形机力学机制。阐明软弱半煤岩巷道控制原理，开发出以“架锚索”为核心的综合支护体系；针对高瓦斯煤岩巷道，建立高瓦斯破碎煤岩体的“气—固”耦合作用机制逾渗破坏理论，提出高瓦斯巷道破碎煤岩体极限强度理论、强度强化理论以及支护巷道的长期稳定控制方法等。“我们提出以分次强化支护、实现内外承载为核心的‘短锚杆、长锚素和U型钢支架’联合支护形式。‘U型+锚索’新型支护系统实现‘内（锚索锚固端）外（槽钢、U型钢、平板钢和锁具形成的强力作用构件）’承载作用，既能发挥锚索主动支护作用并限制巷道初期变形，又在支护后期及早发挥出U型钢支架高刚度、可缩的特点。”余伟健表示。针对深部开采面临的破碎、软岩等复杂巷道，康红普指出，围岩扩容是高应力巷道大变形的主要原因。“高应力、强采动诱发高偏应力，高偏应力下岩石发生剪切或拉伸破坏，出现破裂导致岩石体积增加。围岩强度随偏应力增大、时间加长而减小，更容易扩容。”康红普说。他举例说明，口孜东矿是典型千米深井软岩矿井，煤厚4.9米，埋深1000米，煤层强度10兆帕。顶底板均以泥岩、砂质泥岩等软岩为主，强度37.7兆帕，煤柱宽度15米。原支护方式为锚网索喷+滞后注浆，围岩产生大变形，两帮移进4米，累计底鼓6米以上。巷道围岩控制方案调整后，新的支护方式为“高预应力锚杆支护—高压劈裂注浆改性—水力压裂卸压”。工作面回采期间，原支护顶板下沉247毫米，新支护顶板下沉62毫米，减小74.9%。原支护两帮移近3529毫米，新支护两帮移近962毫米。锚杆、锚索破断率减少90%，综合经济成本降低23.34%。在控制基础上实现快掘智掘
除保证生产安全外，围岩控制关系着巷道的快速掘进及智能快掘。据了解，煤巷掘进在井工开采中劳动密集程度最高、劳动强度最大、危险性最高。煤矿巷道高效快速掘进是亟待攻关的核心难题之一。“快速掘进不等于智能快掘。”李桂臣表示，快速掘进包括顶板安全、支护优化、条件分类、装备选型、系统配套、监测反馈、工序协同等；智能快掘包括智能截割、惯性导航、远程控制、故障诊断、系统整合、煤岩识别、智能协同等（见上图）。两者共同组成智能化快速掘进。李桂臣表示，制约智能快掘发展的关键点主要为掘进速度、支护类型以及如何协同。围岩状态的实时感知和掘支过程中稳定控制是共性基础问题。他进一步解释，一个综采面月消耗的巷道量相当于三个综掘队新掘的工程量，煤巷掘进的导向应满足回采接续、施工组织简单、用人少、资金投入适宜等特点。针对埋深大、采动强，煤层软、强度低，构造多、变化频，巷道大变形、顶板垮冒频发的现实情况，支护方式应满足在变形破坏中维持结构稳定，满足使用空间安全。在时空拓展、工序协同、装备提升基础上，实现快速掘进。“掘支需顺序作业，是掘进速度无法显著提升的短板。应基于顶板时效稳定性，区分掘进速度。”李桂臣表示。经了解，迎头空顶区域在已支护区域和端头煤体约束下，在一定时间内保持稳定，即空顶自稳区域，为护支平行作业提供了时效空间。在自稳期间，快速完成高支撑的“护”，可明显降低煤巷围岩的损伤程度。“根据巷道围岩分级，保证空顶自稳时间和距离，选择合适的掘进方式，合理制定月进尺。”李桂臣建议。李桂臣及团队正在开展杆体柔性化锚杆，高性能中空钢绞线和精准定长锚固技术，柔性网、泵送式锚固剂、无机注浆新材料新工艺等关键技术创新。他们与山东、安徽、江苏等地的公司开展支护配套产品研发，开发出柔性网、薄喷、无机注浆料、锚注辅助装置以及高强预应力带肋托盘等支护产品。技术成果在鄂尔多斯矿区600米至700米埋深煤巷和泥岩、砂岩复合顶板开展应用，提高了掘进速度。“围岩控制是智能快掘的基础先决保障。智能快掘需要多学科协调创新，以需求牵引、突破瓶颈。在快速上，创新围岩控制方法，简化优化支护参数，提高掘进速度；在精准上，做好分级分类，开展智能设计，实现精准支护；在智能上，即时感知围岩变化，分析隐患，保障顶板安全。”李桂臣表示。（王世雅）来源：中国煤炭报
