圍巖控制是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是掘進提效的前提。隨著煤礦采深不斷加大，在近期多個技術(shù)交流會上，多名專家學(xué)者強調(diào)巷道支護、圍巖控制對煤礦的重要性，并建議針對不同巷道條件，創(chuàng)新開展具體、有效的支護措施。
如何理解圍巖控制
圍巖控制即控制巷道圍巖的礦山壓力和周邊位移所采取措施的總和。在實踐中，煤礦應(yīng)根據(jù)巷道圍巖壓力、圍巖強度以及相互關(guān)系，正確選擇巷道布置和支護方法，使巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，從而減輕或避免因回采引起支承壓力的強烈影響，控制圍巖壓力。我國煤礦地處不同區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造條件不盡相同。受巖石性質(zhì)及構(gòu)造特征影響，掘進遇到強度較低的軟弱巖層時，很容易發(fā)生冒頂，如泥質(zhì)膠結(jié)的頁巖；對于堅硬巖層，受力后不易變形和破壞，但一旦發(fā)生冒落，其規(guī)模及強度可能較大，如砂巖。巖石的構(gòu)造特征對巷道變形破壞性質(zhì)和規(guī)模也有影響，如巷道頂板中有弱面（應(yīng)力薄弱面）時，容易引起頂板巖層的離層甚至冒頂。隨著開采深度的增加，巷道上覆巖層重量增大，形成的支承應(yīng)力較大，增加巷道變形及破壞的可能性。地下巖層溫度隨開采深度增加而升高，會使圍巖由脆性向塑性（延伸率大于5%）轉(zhuǎn)化，容易發(fā)生巷道變形。此外，煤層傾角不同，會使巷道破壞形式有差異，如水平或傾斜煤層巷道中多出現(xiàn)頂板彎曲下沉、冒落；急傾斜煤層巷道多出現(xiàn)鼓幫、底板滑落以及頂板抽條冒落等現(xiàn)象。礦井水容易使碎巖塊之間的摩擦系數(shù)減小，降低巖石強度等等。專家學(xué)者指出，圍巖失控的主要表現(xiàn)形式是巷道大變形。采掘過程中，一些巷道出現(xiàn)1米、2米圍巖大變形現(xiàn)象，有的巷道變形量甚至更大。圍巖變形持續(xù)時間長，頂板下沉、兩幫被擠出、底鼓強烈等現(xiàn)象嚴重。傳統(tǒng)單一支護很難控制住巷道大變形。礦區(qū)往往根據(jù)實際情況，采取兩種或三種以上工藝方法，加強巷道支護質(zhì)量。
將被動支護變?yōu)橹鲃又ёo
中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學(xué)家康紅普在日前召開的全國煤礦復(fù)雜難采煤層開采現(xiàn)場會上指出，我國煤礦巷道圍巖控制技術(shù)主要有支護法、加固法、應(yīng)力控制法和聯(lián)合法。支護法即將支護力作用在巷道圍巖表面，如采用型鋼支架、噴射混凝土、砌碹；加固法即深入圍巖內(nèi)部，保持圍巖自承能力，如應(yīng)用錨桿、錨索，注漿；應(yīng)力控制法即減少或轉(zhuǎn)移巷道周圍高應(yīng)力，如采用不同開采方法、差異化布置巷道、人工卸壓；聯(lián)合法即使用兩種或多種巷道圍巖控制方法，如錨噴與注漿。“如今，支護技術(shù)原理、工藝方法持續(xù)變革，產(chǎn)品日新月異，思路正從被動單一因素防治向主動全要素協(xié)同控制轉(zhuǎn)變。”中國礦業(yè)大學(xué)教授李桂臣在近期召開的新質(zhì)生產(chǎn)力賦能能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展研討會上表示，如錨桿懸吊+架棚支撐+噴層和網(wǎng)、錨桿強化+組合加固+注漿加固、卸壓+應(yīng)力補償+層位選擇、卸壓+錨固+改性等形式。在最新進展上，康紅普及其團隊提出“支護—改性—卸壓”時空協(xié)同控制和“主動支護—高預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索支護技術(shù)”，并已在多個礦井實踐應(yīng)用。“‘支護—改性—卸壓’時空協(xié)同控制即先進行錨桿錨索高預(yù)應(yīng)力主動支護。針對圍巖裂隙發(fā)育，應(yīng)用高應(yīng)力劈裂注漿主動改性，提高巷道強度、錨固力和完整性；完成‘支護—改性’后，選擇合理層位，在工作面采動應(yīng)力升高前卸壓，減小側(cè)方懸頂和采空區(qū)后方懸頂面積，降低應(yīng)力集中程度。對于軟巖，及時噴漿封閉，防止圍巖遇水軟化、膨脹以及風(fēng)化極為重要。”康紅普表示。經(jīng)了解，這是一種通過時間與空間協(xié)同，控制應(yīng)力強度，進而控制變形的技術(shù)新思路，核心在于把過往在巷道里被動支護轉(zhuǎn)變?yōu)榈孛媾c井下聯(lián)合主動提前支護，爭取更多的圍巖控制時間。在這項技術(shù)中，錨桿與錨索的韌性與強度尤為重要。為此，中國煤炭科工集團研發(fā)出高預(yù)應(yīng)力高強度錨桿等新型支護材料，配合理論發(fā)展。錨桿具有足夠延伸率和沖擊韌性，使圍巖連續(xù)變形釋放，避免局部破壞。“通過高預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索主動支護，在錨固區(qū)形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，從而減小偏應(yīng)力，控制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)的擴容變形，保持圍巖完整性。”康紅普指出。如今，主動支護技術(shù)在多個礦區(qū)開展了試驗。國家能源寧煤清水營煤礦水致劣化軟巖巷道支護實例、淮北礦業(yè)信湖煤礦深部礦井軟巖小煤柱沿空掘巷支護實例、中煤新集口孜東礦千米深井軟巖回采巷道支護實例中，均取得了良好效果。
開采新情況帶來支護新問題
我國煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，整體呈現(xiàn)出錯綜復(fù)雜樣貌。神府—東勝煤田地質(zhì)變化相對較少，煤層厚，圍巖控制上有優(yōu)勢；開灤煤田水文地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖裂隙發(fā)育明顯，巖層透水性較好，使煤層含水量變高，進而對掘進與支護產(chǎn)生影響；川南煤田煤層傾角大、斷層多，水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，對巷道支護要求較高。中煤科工開采研究院有限公司研究員吳擁政指出，當前，巷道采用傳統(tǒng)支護理念、材料、技術(shù)，未對沖擊地壓巷道的復(fù)雜性和特殊性作出思考。而90%以上沖擊地壓事故發(fā)生在回采巷道中，巷道支護系統(tǒng)的抗沖擊性能直接關(guān)系著沖擊地壓發(fā)生后巷道的破壞程度。“傳統(tǒng)的錨桿支護難以滿足沖擊條件下巷道圍巖控制要求。巷道圍巖出現(xiàn)大變形，支護材料及構(gòu)件破壞失效，甚至發(fā)生坍塌冒頂事故。大量錨桿、錨索破斷失效，支護構(gòu)件被撕裂和破壞。”吳擁政在開展一系列實驗基礎(chǔ)上指出。他建議，沖擊地壓巷道應(yīng)優(yōu)選抗沖支護材料，如高強度、高沖擊韌性錨桿，錨桿屈服強度大于等于800兆帕，沖擊吸收功達到國家標準，必須采用全長或加長錨固；優(yōu)選高延伸率錨索，錨索破斷強度大于等于1700兆帕，直徑大于等于20毫米，延伸率大于5%；優(yōu)選抗沖擊防松錨具。此外，應(yīng)合理設(shè)計和提高錨桿和錨索的強度、沖擊韌性、延伸率等力學(xué)指標。托板強度與支護系統(tǒng)相匹配，并適當增大護表面積。優(yōu)先采用鋼帶與雙層金屬網(wǎng)護表，選用抗沖擊液紋編織鋼筋網(wǎng)，“上鋼下經(jīng)”組合形式抗沖擊性能更優(yōu)。護表支護對沖擊破壞有明顯的控制作用，優(yōu)先噴涂護表吸能支護等。“目前，抗沖材料具體標準方面相對空白。建議制訂沖擊地壓巷道錨桿、錨索等支護材料及構(gòu)件的相關(guān)標準。”吳擁政說。在大埋深、高應(yīng)力環(huán)境、構(gòu)造復(fù)雜、圍巖軟弱、含水層影響等復(fù)雜因素疊加下，南方煤礦煤巖體巷道圍巖穩(wěn)定性及安全空間構(gòu)建，逐漸成為建設(shè)安全高效礦井和釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能的瓶頸。不同于北方礦區(qū)，南方礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，如四川、湖南、貴州、云南、廣西等地區(qū)。深部巖體裂隙發(fā)育程度高，龍?zhí)督M煤系地層占西南地區(qū)總資源量85%以上。裂隙巖體、泥巖等在環(huán)境、應(yīng)力作用下，給巷道空間穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)。湖南科技大學(xué)教授余偉健在近日召開的2024年全國煤礦安全、高效、綠色開采與支護技術(shù)新進展研討會上指出，受巖體應(yīng)力效應(yīng)、巖體強度弱化、開采擾動影響、動力沖擊破壞、裂隙擴容效應(yīng)、流固耦合效應(yīng)等多種致災(zāi)源作用機制影響，南方礦井圍巖治理難度較高。“多重變形失穩(wěn)形式并存，比如圍巖流變擠壞支護結(jié)構(gòu)、松動變形壓力折損支架、動力災(zāi)害沖破關(guān)鍵部位；非對稱不均勻變形普遍存在，比如幫部圍巖不均勻滑出或幫部不同部位鼓出、頂板巖體不均勻下沉、底板不規(guī)則鼓起。”余偉健指出南方礦井支護系統(tǒng)受破壞形式。因此，余偉健及團隊針對南方地區(qū)復(fù)雜困難條件下，特別是高瓦斯破碎煤巖體、深部裂隙巖體、松散巖體等巷道支護控制難題等，展開了項目研究。他們以典型南方礦區(qū)薄煤層半煤巖巷道為基礎(chǔ)，提出基于接觸面滑移的薄煤層半煤巖巷道不均勻變形機力學(xué)機制。闡明軟弱半煤巖巷道控制原理，開發(fā)出以“架錨索”為核心的綜合支護體系；針對高瓦斯煤巖巷道，建立高瓦斯破碎煤巖體的“氣—固”耦合作用機制逾滲破壞理論，提出高瓦斯巷道破碎煤巖體極限強度理論、強度強化理論以及支護巷道的長期穩(wěn)定控制方法等。“我們提出以分次強化支護、實現(xiàn)內(nèi)外承載為核心的‘短錨桿、長錨素和U型鋼支架’聯(lián)合支護形式。‘U型+錨索’新型支護系統(tǒng)實現(xiàn)‘內(nèi)（錨索錨固端）外（槽鋼、U型鋼、平板鋼和鎖具形成的強力作用構(gòu)件）’承載作用，既能發(fā)揮錨索主動支護作用并限制巷道初期變形，又在支護后期及早發(fā)揮出U型鋼支架高剛度、可縮的特點。”余偉健表示。針對深部開采面臨的破碎、軟巖等復(fù)雜巷道，康紅普指出，圍巖擴容是高應(yīng)力巷道大變形的主要原因。“高應(yīng)力、強采動誘發(fā)高偏應(yīng)力，高偏應(yīng)力下巖石發(fā)生剪切或拉伸破壞，出現(xiàn)破裂導(dǎo)致巖石體積增加。圍巖強度隨偏應(yīng)力增大、時間加長而減小，更容易擴容。”康紅普說。他舉例說明，口孜東礦是典型千米深井軟巖礦井，煤厚4.9米，埋深1000米，煤層強度10兆帕。頂?shù)装寰阅鄮r、砂質(zhì)泥巖等軟巖為主，強度37.7兆帕，煤柱寬度15米。原支護方式為錨網(wǎng)索噴+滯后注漿，圍巖產(chǎn)生大變形，兩幫移進4米，累計底鼓6米以上。巷道圍巖控制方案調(diào)整后，新的支護方式為“高預(yù)應(yīng)力錨桿支護—高壓劈裂注漿改性—水力壓裂卸壓”。工作面回采期間，原支護頂板下沉247毫米，新支護頂板下沉62毫米，減小74.9%。原支護兩幫移近3529毫米，新支護兩幫移近962毫米。錨桿、錨索破斷率減少90%，綜合經(jīng)濟成本降低23.34%。
在控制基礎(chǔ)上實現(xiàn)快掘智掘
除保證生產(chǎn)安全外，圍巖控制關(guān)系著巷道的快速掘進及智能快掘。據(jù)了解，煤巷掘進在井工開采中勞動密集程度最高、勞動強度最大、危險性最高。煤礦巷道高效快速掘進是亟待攻關(guān)的核心難題之一。“快速掘進不等于智能快掘。”李桂臣表示，快速掘進包括頂板安全、支護優(yōu)化、條件分類、裝備選型、系統(tǒng)配套、監(jiān)測反饋、工序協(xié)同等；智能快掘包括智能截割、慣性導(dǎo)航、遠程控制、故障診斷、系統(tǒng)整合、煤巖識別、智能協(xié)同等（見上圖）。兩者共同組成智能化快速掘進。李桂臣表示，制約智能快掘發(fā)展的關(guān)鍵點主要為掘進速度、支護類型以及如何協(xié)同。圍巖狀態(tài)的實時感知和掘支過程中穩(wěn)定控制是共性基礎(chǔ)問題。他進一步解釋，一個綜采面月消耗的巷道量相當于三個綜掘隊新掘的工程量，煤巷掘進的導(dǎo)向應(yīng)滿足回采接續(xù)、施工組織簡單、用人少、資金投入適宜等特點。針對埋深大、采動強，煤層軟、強度低，構(gòu)造多、變化頻，巷道大變形、頂板垮冒頻發(fā)的現(xiàn)實情況，支護方式應(yīng)滿足在變形破壞中維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足使用空間安全。在時空拓展、工序協(xié)同、裝備提升基礎(chǔ)上，實現(xiàn)快速掘進。“掘支需順序作業(yè)，是掘進速度無法顯著提升的短板。應(yīng)基于頂板時效穩(wěn)定性，區(qū)分掘進速度。”李桂臣表示。經(jīng)了解，迎頭空頂區(qū)域在已支護區(qū)域和端頭煤體約束下，在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，即空頂自穩(wěn)區(qū)域，為護支平行作業(yè)提供了時效空間。在自穩(wěn)期間，快速完成高支撐的“護”，可明顯降低煤巷圍巖的損傷程度。“根據(jù)巷道圍巖分級，保證空頂自穩(wěn)時間和距離，選擇合適的掘進方式，合理制定月進尺。”李桂臣建議。李桂臣及團隊正在開展桿體柔性化錨桿，高性能中空鋼絞線和精準定長錨固技術(shù)，柔性網(wǎng)、泵送式錨固劑、無機注漿新材料新工藝等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。他們與山東、安徽、江蘇等地的公司開展支護配套產(chǎn)品研發(fā)，開發(fā)出柔性網(wǎng)、薄噴、無機注漿料、錨注輔助裝置以及高強預(yù)應(yīng)力帶肋托盤等支護產(chǎn)品。技術(shù)成果在鄂爾多斯礦區(qū)600米至700米埋深煤巷和泥巖、砂巖復(fù)合頂板開展應(yīng)用，提高了掘進速度。“圍巖控制是智能快掘的基礎(chǔ)先決保障。智能快掘需要多學(xué)科協(xié)調(diào)創(chuàng)新，以需求牽引、突破瓶頸。在快速上，創(chuàng)新圍巖控制方法，簡化優(yōu)化支護參數(shù)，提高掘進速度；在精準上，做好分級分類，開展智能設(shè)計，實現(xiàn)精準支護；在智能上，即時感知圍巖變化，分析隱患，保障頂板安全。”李桂臣表示。
來源：中國煤炭報
