煤礦巷道安全掘進技術研究

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目前，中國煤礦大多是地下開采，需要掘進大量的巷道以服務于生產。隨著煤礦開采深度的增加，煤礦巷道掘進所面臨的地質條件也變得日益復雜，而且中國煤層多經歷了地質運動作用，生產地質條件本身就比較復雜。在這種情況下，巷道掘進作業很容易誘發一些煤礦地質災害，例如突水、沖擊地壓等[1-3]。因此，在復雜地質條件下，實現煤礦巷道的安全掘進尤為重要。本文圍繞煤礦一些常見的復雜地質條件的特點展開論述，重點探討了實現復雜條件下巷道安全掘進的措施。

1煤礦常見的復雜地質條件

在煤礦生產中，遇到的地質條件有多種，主要包括高應力、軟巖、地質構造、瓦斯突出危險性和承壓水等[4-8]。認識這幾種地質條件的特點，有助于找到合適的掘進技術。

1.1高應力

隨著煤礦開采深度的增加，地應力呈現增加的趨勢，如圖1所示。目前，中國煤礦已經進入到深部開采時代，平均開采深度達到800m，并以每年8～12m的速度繼續增加。當地應力正常時，地下800m深處的垂直應力可以達到21.6MPa。由巖體力學與彈性力學可知，當圍巖的應力增加，巷道周邊的塑性區范圍擴大時，需要的支護力也大幅度增加。此外，高應力帶來的一個顯著問題是巷道沖擊地壓或巖爆。目前，這個問題依然是一個世界性難題。當發生沖擊地壓或巖爆時，巷道的某一段會出現大范圍的損壞，這對安全生產危害極大。

1.2軟巖

軟巖是巷道掘進過程中遇到的一種非常棘手的地質條件。隨著進入深部開采之后，地應力增加，出現了工程軟巖（高應力條件下巖石強度降低）。在開挖過程中，巷道容易出現較大的變形，若不進行有效的支護，則巷道很可能不能正常使用。與此同時，軟巖變形具有很強的時間效應，呈現了一定的流變特性，巷道高度可能降低50%。由于軟巖的地質條件不同，所采用的支護方式存在一定的差異，這使得軟巖巷道的支護變得異常困難。

1.3地質構造

煤礦掘進過程中不可避免地會遇到各種地質構造。常見的地質構造主要有陷落柱和斷層。陷落柱是在地下水作用下形成的一個碎石帶（見圖2），這個碎石帶具有良好的導水特性，且區域附近的頂板較為破碎。在巷道掘進過程中，穿過陷落柱所在的區域時很容易引發突水和冒頂事故。斷層是地殼運動形成的巖層斷裂區域。常見的斷層可以分為正斷層、逆斷層和周向斷層。在掘進穿過斷層所在的區域時，會對斷層造成擾動，使得斷層發生活化，進而誘發一系列的災害。常見的斷層災害主要有斷層沖擊地壓、斷層突水等。斷層災害的強度與斷層的大小，也就是落差存在較大的關系。
1.4瓦斯突出危險性

在一些情況下，需要在煤層中掘進巷道。由于煤層中殘留一些瓦斯，這些瓦斯在一定條件下會突出，在發生突出后，巷道內會充滿大量的瓦斯。掘進頭屬于獨頭巷道，通風非常不便，很容易引發瓦斯爆炸事故。目前，煤與瓦斯突出的機理尚不明確，這使得預防瓦斯突出存在巨大的困難。

1.5承壓水

一般情況下，巷道掘進不會穿過含水層，但是，有時掘進時會穿過承壓水所在區域。由于巷道周圍會出現應力集中的情況，當承壓水與巷道的距離較近時，承壓水會沖破巖層涌入到巷道中，這使得掘進工作面在短時間內被淹。進入深部開采后，承壓水的壓力增加，掘進過程中發生水害的可能性也會增加。

2復雜地質條件下巷道安全掘進分析

以上重點分析了各種地質條件對煤礦巷道掘進的影響。為了實現巷道的安全掘進，應該從做好地質勘探工作，做好安全預警和預案，做好現場施工管理工作和采用先進的掘進技術入手[9-13]。

2.1做好地質勘探工作

為了能有效地應對復雜地質條件下巷道的掘進，應該做好地質勘探工作。除了早期獲取的地質資料以外，還應該對巷道掘進所在的區域進行精查，以獲取詳細的地質資料。在礦井建設初期，為了節省成本，獲取到的地質資料精度較低。針對這種情況，應該結合物探方法和鉆探方法對地質資料進行精查。經常采用的物探方法是瞬變電磁法。采用瞬變電磁法可以查出掘進頭的一些地質構造異常區域（見圖3），從而為做好施工方案提供參考。考慮到水和瓦斯都是一種流體，應該定期測量掘進區域的瓦斯壓力和水壓，進而制定較為安全的施工方案。

2.2做好安全預警和預案

考慮到復雜地質條件下巷道的掘進存在較大的危險性，為此，應該做好安全預警和預案。例如：當巷道內的瓦斯濃度超過了安全值，警報器應該立即發出警報，并切斷掘進頭內設備的電源。在掘進頭處發現涌水異常時，應該立即拉響警報，將有關人員撤離到安全區域。在發生一些危險情況后，應該快速反應，制定有效的應急施工措施。例如：當瓦斯濃度超限時，應及時查明原因，并調整局部通風方式，進而迅速排出工作面內的瓦斯；當發生透水事故時，應根據涌水量采用注漿的方式進行堵水。注漿加固堵水工藝包括鉆孔、封孔、制漿液、注漿等，具體如圖4所示。此外，還應該對已經完成支護的巷道變形情況進行監測，一旦巷道的變形量超過了設計值，則應該采取相應的臨時支護措施，以免巷道失穩進而影響巷道的安全使用。

2.3做好現場施工管理工作

在巷道掘進工作面內，不但工人數量較多，而且施工工序較多，因此，需要做好現場施工管理。具體應做好以下幾點：a)嚴格按照設計的施工方案施工，不允許出現偷工減料的現象。b)工人要規范操作，不能違規操作。由于工人的素質參差不齊，施工時很容易出現違反安全規程的情況。c)嚴格控制控頂距，以免發生冒頂事故。d)做好現場的瓦斯、水和通風管理。2.4采用先進的掘進技術隨著無煤柱開采技術的廣泛應用，許多巷道都是單巷掘進，巷道掘進過程中會遇到嚴重的通風問題。在軟巖地質條件下，掘進巷道很容易出現大變形的情況。針對這些狀況，需要采用更為先進的掘進方式。目前，許多煤礦采用綜掘機對巷道進行掘進，不僅掘進效率低，而且還面臨許多安全問題。隨著掘進技術的發展，適用于煤礦生產的盾構機（見圖5）已經被研發出來，極大程度上解決了復雜地質條件下的巷道掘進問題。盾構機自帶有破巖、通風、排水和支護系統，特別適用于深部巖巷的掘進。

3結語

復雜地質條件下煤礦巷道安全掘進是煤礦企業面臨的重點問題之一。分析了煤礦復雜地質條件的幾種情況，主要有高應力、軟巖、地質構造、瓦斯突出危險和承壓水等，探討了實現巷道安全掘進的技術措施，以期為復雜地質條件下煤礦巷道的安全掘進提供一定的參考。

參考文獻：

［1］崔成芳.復雜地質條件下煤礦巷道掘進支護技術的應用［J/OL］.內蒙古煤炭經濟，2021(9)：206-207［2022-08-28］.

［2］劉鵬.復雜地質條件下煤礦巷道掘進支護技術的應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2020，40(16)：238-239.

［3］王生俊.淺談復雜地質條件下煤礦巷道快速掘進技術［J］.江西化工，2020(2)：221-222.

［4］趙超，朱敏，閆理威.復雜地質條件下煤礦巷道掘進超前地質預報技術應用研究［J］.山東煤炭科技，2020，38(3)：159-160.

［5］楊浩.復雜地質條件下煤礦巷道掘進支護技術的應用［J］.當代化工研究，2019(16)：68-69.

作者:李會旗 單位:高平市應急管理局