煤矿巷道安全掘进技术研究

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目前，中国煤矿大多是地下开采，需要掘进大量的巷道以服务于生产。随着煤矿开采深度的增加，煤矿巷道掘进所面临的地质条件也变得日益复杂，而且中国煤层多经历了地质运动作用，生产地质条件本身就比较复杂。在这种情况下，巷道掘进作业很容易诱发一些煤矿地质灾害，例如突水、冲击地压等[1-3]。因此，在复杂地质条件下，实现煤矿巷道的安全掘进尤为重要。本文围绕煤矿一些常见的复杂地质条件的特点展开论述，重点探讨了实现复杂条件下巷道安全掘进的措施。

1煤矿常见的复杂地质条件

在煤矿生产中，遇到的地质条件有多种，主要包括高应力、软岩、地质构造、瓦斯突出危险性和承压水等[4-8]。认识这几种地质条件的特点，有助于找到合适的掘进技术。

1.1高应力

随着煤矿开采深度的增加，地应力呈现增加的趋势，如图1所示。目前，中国煤矿已经进入到深部开采时代，平均开采深度达到800m，并以每年8～12m的速度继续增加。当地应力正常时，地下800m深处的垂直应力可以达到21.6MPa。由岩体力学与弹性力学可知，当围岩的应力增加，巷道周边的塑性区范围扩大时，需要的支护力也大幅度增加。此外，高应力带来的一个显著问题是巷道冲击地压或岩爆。目前，这个问题依然是一个世界性难题。当发生冲击地压或岩爆时，巷道的某一段会出现大范围的损坏，这对安全生产危害极大。

1.2软岩

软岩是巷道掘进过程中遇到的一种非常棘手的地质条件。随着进入深部开采之后，地应力增加，出现了工程软岩（高应力条件下岩石强度降低）。在开挖过程中，巷道容易出现较大的变形，若不进行有效的支护，则巷道很可能不能正常使用。与此同时，软岩变形具有很强的时间效应，呈现了一定的流变特性，巷道高度可能降低50%。由于软岩的地质条件不同，所采用的支护方式存在一定的差异，这使得软岩巷道的支护变得异常困难。

1.3地质构造

煤矿掘进过程中不可避免地会遇到各种地质构造。常见的地质构造主要有陷落柱和断层。陷落柱是在地下水作用下形成的一个碎石带（见图2），这个碎石带具有良好的导水特性，且区域附近的顶板较为破碎。在巷道掘进过程中，穿过陷落柱所在的区域时很容易引发突水和冒顶事故。断层是地壳运动形成的岩层断裂区域。常见的断层可以分为正断层、逆断层和周向断层。在掘进穿过断层所在的区域时，会对断层造成扰动，使得断层发生活化，进而诱发一系列的灾害。常见的断层灾害主要有断层冲击地压、断层突水等。断层灾害的强度与断层的大小，也就是落差存在较大的关系。
1.4瓦斯突出危险性

在一些情况下，需要在煤层中掘进巷道。由于煤层中残留一些瓦斯，这些瓦斯在一定条件下会突出，在发生突出后，巷道内会充满大量的瓦斯。掘进头属于独头巷道，通风非常不便，很容易引发瓦斯爆炸事故。目前，煤与瓦斯突出的机理尚不明确，这使得预防瓦斯突出存在巨大的困难。

1.5承压水

一般情况下，巷道掘进不会穿过含水层，但是，有时掘进时会穿过承压水所在区域。由于巷道周围会出现应力集中的情况，当承压水与巷道的距离较近时，承压水会冲破岩层涌入到巷道中，这使得掘进工作面在短时间内被淹。进入深部开采后，承压水的压力增加，掘进过程中发生水害的可能性也会增加。

2复杂地质条件下巷道安全掘进分析

以上重点分析了各种地质条件对煤矿巷道掘进的影响。为了实现巷道的安全掘进，应该从做好地质勘探工作，做好安全预警和预案，做好现场施工管理工作和采用先进的掘进技术入手[9-13]。

2.1做好地质勘探工作

为了能有效地应对复杂地质条件下巷道的掘进，应该做好地质勘探工作。除了早期获取的地质资料以外，还应该对巷道掘进所在的区域进行精查，以获取详细的地质资料。在矿井建设初期，为了节省成本，获取到的地质资料精度较低。针对这种情况，应该结合物探方法和钻探方法对地质资料进行精查。经常采用的物探方法是瞬变电磁法。采用瞬变电磁法可以查出掘进头的一些地质构造异常区域（见图3），从而为做好施工方案提供参考。考虑到水和瓦斯都是一种流体，应该定期测量掘进区域的瓦斯压力和水压，进而制定较为安全的施工方案。

2.2做好安全预警和预案

考虑到复杂地质条件下巷道的掘进存在较大的危险性，为此，应该做好安全预警和预案。例如：当巷道内的瓦斯浓度超过了安全值，警报器应该立即发出警报，并切断掘进头内设备的电源。在掘进头处发现涌水异常时，应该立即拉响警报，将有关人员撤离到安全区域。在发生一些危险情况后，应该快速反应，制定有效的应急施工措施。例如：当瓦斯浓度超限时，应及时查明原因，并调整局部通风方式，进而迅速排出工作面内的瓦斯；当发生透水事故时，应根据涌水量采用注浆的方式进行堵水。注浆加固堵水工艺包括钻孔、封孔、制浆液、注浆等，具体如图4所示。此外，还应该对已经完成支护的巷道变形情况进行监测，一旦巷道的变形量超过了设计值，则应该采取相应的临时支护措施，以免巷道失稳进而影响巷道的安全使用。

2.3做好现场施工管理工作

在巷道掘进工作面内，不但工人数量较多，而且施工工序较多，因此，需要做好现场施工管理。具体应做好以下几点：a)严格按照设计的施工方案施工，不允许出现偷工减料的现象。b)工人要规范操作，不能违规操作。由于工人的素质参差不齐，施工时很容易出现违反安全规程的情况。c)严格控制控顶距，以免发生冒顶事故。d)做好现场的瓦斯、水和通风管理。2.4采用先进的掘进技术随着无煤柱开采技术的广泛应用，许多巷道都是单巷掘进，巷道掘进过程中会遇到严重的通风问题。在软岩地质条件下，掘进巷道很容易出现大变形的情况。针对这些状况，需要采用更为先进的掘进方式。目前，许多煤矿采用综掘机对巷道进行掘进，不仅掘进效率低，而且还面临许多安全问题。随着掘进技术的发展，适用于煤矿生产的盾构机（见图5）已经被研发出来，极大程度上解决了复杂地质条件下的巷道掘进问题。盾构机自带有破岩、通风、排水和支护系统，特别适用于深部岩巷的掘进。

3结语

复杂地质条件下煤矿巷道安全掘进是煤矿企业面临的重点问题之一。分析了煤矿复杂地质条件的几种情况，主要有高应力、软岩、地质构造、瓦斯突出危险和承压水等，探讨了实现巷道安全掘进的技术措施，以期为复杂地质条件下煤矿巷道的安全掘进提供一定的参考。

参考文献：

［1］崔成芳.复杂地质条件下煤矿巷道掘进支护技术的应用［J/OL］.内蒙古煤炭经济，2021(9)：206-207［2022-08-28］.

［2］刘鹏.复杂地质条件下煤矿巷道掘进支护技术的应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2020，40(16)：238-239.

［3］王生俊.浅谈复杂地质条件下煤矿巷道快速掘进技术［J］.江西化工，2020(2)：221-222.

［4］赵超，朱敏，闫理威.复杂地质条件下煤矿巷道掘进超前地质预报技术应用研究［J］.山东煤炭科技，2020，38(3)：159-160.

［5］杨浩.复杂地质条件下煤矿巷道掘进支护技术的应用［J］.当代化工研究，2019(16)：68-69.

作者:李会旗 单位:高平市应急管理局