煤礦開(kāi)采中巷道變形的影響分析

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巷道變形是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的突出問(wèn)題之一，嚴(yán)重影響了煤礦開(kāi)采效率，更威脅了煤礦開(kāi)采人員的生命安全。因此，巷道變形問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，研究人員和行業(yè)從業(yè)者對(duì)巷道變形問(wèn)題的解決措施開(kāi)展了多項(xiàng)研究，并切實(shí)取得了一些研究成果。對(duì)現(xiàn)有研究文獻(xiàn)進(jìn)行梳理與分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)巷道變形影響因素的研究較少，為進(jìn)一步提高研究水平，本文從該研究視角出發(fā)，深入闡述了巷道變形的影響因素和控制方法，具有一定創(chuàng)新意義和理論補(bǔ)充價(jià)值。

1煤礦開(kāi)采中巷道變形的影響因素分析

1．1自然因素自然因素是煤礦開(kāi)采過(guò)程中最重要的影響因素之一，對(duì)煤礦開(kāi)采活動(dòng)和巷道的影響是多方面的，是導(dǎo)致巷道變形與破壞的主要因素。自然因素包含的內(nèi)容很多，不同自然因素的影響途徑、作用強(qiáng)度有所區(qū)別。具體而言，自然影響因素包括以下幾點(diǎn):第一，巖石性質(zhì)與構(gòu)造特征。該因素可以被概括為地質(zhì)環(huán)境影響，需要更具體地分析該因素，將其劃分為兩個(gè)方面。首先，巖石性質(zhì)。巖石的軟硬程度是影響巷道變形的主要因素，如果煤礦所處地區(qū)的巖石性質(zhì)較軟，更容易出現(xiàn)巷道變形問(wèn)題，支護(hù)難度會(huì)變得更高［1］。重要的是，性質(zhì)較軟的巖石出現(xiàn)巷道變形的情況是多元的，即會(huì)引發(fā)多種形式的巷道變形。如果巖石性質(zhì)較硬，其自身支撐力更強(qiáng)，出現(xiàn)巷道變形的概率較小，但仍會(huì)受到其他因素影響，進(jìn)而出現(xiàn)巷道變形，巖石性質(zhì)較硬的地區(qū)出現(xiàn)巷道變形引發(fā)的后果更嚴(yán)重，處理難度更大。其次，構(gòu)造特征。構(gòu)造特征主要指地質(zhì)構(gòu)造，煤礦所處區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造會(huì)直接影響巷道變形，如巖層層理、節(jié)理及斷層等地質(zhì)構(gòu)造的存在，會(huì)使巷道圍巖出現(xiàn)不規(guī)則的弱面結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重破壞圍巖的整體性和持續(xù)性，進(jìn)而影響圍巖本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力，從而造成巷道變形。第二，開(kāi)采深度。開(kāi)采深度對(duì)巷道變形的影響是直接的。具體來(lái)說(shuō)，隨著開(kāi)采深度的不斷加大，巷道上覆巖層的厚度不斷加大、重量不斷提升，給巷道帶來(lái)的負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，極大地增加巷道變形的可能性。此外，開(kāi)采深度還會(huì)影響地下巖石溫度，開(kāi)采深度越大，地下巖石溫度越高。巖石性質(zhì)會(huì)在高溫的影響下發(fā)生變化，由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，?dǎo)致硬度降低、性質(zhì)偏軟、支撐能力下降，進(jìn)而引發(fā)巷道塑性變形。第三，巖層傾角。巖層傾角會(huì)對(duì)巷道變形與破壞形式產(chǎn)生直接影響。具體地說(shuō)，巖層傾角不同，巷道的受壓程度與強(qiáng)度存在很大區(qū)別。巷道受力方向、受力強(qiáng)度等造成的巷道變形問(wèn)題也有所不同。通常來(lái)說(shuō)，處于緩傾斜或水平巖層的巷道，頂板容易出現(xiàn)對(duì)稱性下沉，兩幫變形也較為均勻;而處于傾斜或急傾斜巖層的巷道，容易出現(xiàn)非均勻、非對(duì)稱的巷道變形情況，兩幫變形的強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于頂板。第四，礦井水的影響。水對(duì)巷道的影響同樣突出，礦井水會(huì)加速和加劇巷道變形。具體來(lái)說(shuō)，礦井水的影響途徑有以下幾種:①對(duì)巖石強(qiáng)度的影響。當(dāng)巖石長(zhǎng)時(shí)間受到礦井水的沖刷或浸泡時(shí)，自身強(qiáng)度會(huì)降低，出現(xiàn)巖石軟化現(xiàn)象，巖石性質(zhì)被改變，巷道自然也會(huì)受到巖石性質(zhì)的影響，進(jìn)而出現(xiàn)巷道變形問(wèn)題［2］。②對(duì)泥質(zhì)類(lèi)軟巖的影響。泥質(zhì)類(lèi)軟巖自身性質(zhì)具有特殊性，在遇到礦井水時(shí)會(huì)出現(xiàn)泥化、崩角、膨化、碎裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞巖石強(qiáng)度，進(jìn)而引發(fā)巷道變形。③對(duì)巖石摩擦系數(shù)的影響，在礦井水的沖刷下，破碎巖石的摩擦系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低，個(gè)別巖石和碎塊會(huì)掉落，進(jìn)而影響巷道整體性，加劇巷道變形與破壞。④對(duì)巷道底板的影響，礦井水可能會(huì)侵蝕巷道底板，引起巷道底鼓問(wèn)題。第五，時(shí)間因素影響。時(shí)間因素的影響主要體現(xiàn)在巖石性質(zhì)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)上。具體來(lái)講，在時(shí)間因素的影響下，巖石不可避免地會(huì)出現(xiàn)風(fēng)化、侵蝕等問(wèn)題，進(jìn)而降低巖石強(qiáng)度。此外，巖石自身具有一定流變性，隨著時(shí)間推移，巖石流變會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，當(dāng)達(dá)到一定程度后，巷道周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生較大變化，進(jìn)而造成巷道變形與破壞。

1．2開(kāi)采技術(shù)因素除自然因素以外，開(kāi)采技術(shù)的選擇與使用也會(huì)導(dǎo)致巷道變形。造成巷道變形的開(kāi)采技術(shù)因素主要有以下幾點(diǎn):第一，巷道布置。巷道布置方式有很多，不同的方式會(huì)對(duì)巷道變形產(chǎn)生不同的影響。例如，受一側(cè)采動(dòng)影響還是受兩側(cè)采動(dòng)影響、受初次采動(dòng)影響還是多次采動(dòng)影響等。第二，留煤柱回采。在留煤柱回采過(guò)程中，如果巷道保護(hù)煤柱留設(shè)不足，可能引起巷道變形與破壞。第三，巷道爆破方式。巷道爆破方式中的某些方式會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生一定破壞。采取鉆眼爆破破巖時(shí)，爆破產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)周邊巖石產(chǎn)生一定影響。需要注意的是，沖擊波對(duì)巖石的影響還與巖石自身性質(zhì)相關(guān)，如果巖石自身性質(zhì)較軟，就會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的松動(dòng)。以軟巖為例，沖擊波會(huì)使軟巖產(chǎn)生1～1．5m的松動(dòng)圈。第四，支護(hù)方式與支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)方式與支護(hù)結(jié)構(gòu)是煤礦開(kāi)采與巷道建設(shè)過(guò)程中最重要的部分。煤礦開(kāi)采過(guò)程中，可采用的支護(hù)方式與支護(hù)結(jié)構(gòu)有很多，常用的支護(hù)方式有留煤柱護(hù)巷、巷旁澆筑剛性充填帶護(hù)巷等，不同的支護(hù)方式與支護(hù)結(jié)構(gòu)適用的范圍不同，能否選擇合適的支護(hù)方式會(huì)嚴(yán)重影響支護(hù)成效，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的支護(hù)作用，巷道就會(huì)發(fā)生變形［3］。此外，支護(hù)掘進(jìn)方式也是影響巷道變形的重要技術(shù)因素之一，如果支護(hù)掘進(jìn)方式選擇不恰當(dāng)，則無(wú)法有效規(guī)避采煤工作面帶來(lái)的劇烈采動(dòng)影響，進(jìn)而出現(xiàn)巷道變形與破壞。

2煤礦開(kāi)采中巷道變形與破壞的基本形式

2．1巷道頂板冒落巷道頂板冒落的形式有很多，具體包括以下三種形式:第一，頂板規(guī)則冒落。所謂規(guī)則冒落，是指頂板的冒落十分工整、平滑，該類(lèi)頂板冒落主要出現(xiàn)在泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖層中，部分含有泥巖夾層的松軟巖層也可能出現(xiàn)規(guī)則冒落問(wèn)題。第二，頂板不規(guī)則冒落。不規(guī)則冒落與規(guī)則冒落相反，冒落形狀是非常不規(guī)則的，導(dǎo)致不規(guī)則冒落的主要原因在于頂板處于斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)破碎帶，很難出現(xiàn)規(guī)則平滑的冒落。第三，頂板彎曲下沉。頂板彎曲下沉是比較常見(jiàn)的巷道變形問(wèn)題，在巷道上覆巖層的重量影響下，不可避免地會(huì)出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象。此類(lèi)事故多發(fā)生在近水平或緩傾斜煤層結(jié)構(gòu)中，受到巖層傾角的影響。上文曾敘述到，在緩斜巖層和水平巖層中，巷道受到的上覆層巖石重量壓力更大，更容易出現(xiàn)頂板變形，頂板和兩幫變形會(huì)變得更均勻;而在傾斜度較大的巖層中，巷道兩幫會(huì)比頂板更容易出現(xiàn)變形問(wèn)題，頂板受到的壓力有所下降。

2．2巷道底板變形與破壞巷道底板變形與破壞主要有以下兩種形式:第一，底板塑性膨脹。底板塑性膨脹是指巷道底板呈塑性鼓起。此類(lèi)變形問(wèn)題主要發(fā)生在自身強(qiáng)度較低、塑性較高的巖層中，比較常見(jiàn)的巖層是黏土質(zhì)巖石。第二，底板膨裂。底板膨裂指巷道底板出現(xiàn)明顯的鼓起或脹裂，根據(jù)其強(qiáng)度不同可以歸類(lèi)為變形或破壞。底板膨裂與底板塑性膨脹的發(fā)生原因大體相同，但二者的表現(xiàn)形式完全不同，因?yàn)槎咚幍牡刭|(zhì)環(huán)境區(qū)別很大。在軟巖層中，巖石塑性較強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)塑性膨脹;在硬黏土巖石層中，巖石硬度高而塑性低，會(huì)出現(xiàn)底板膨裂，多表現(xiàn)為明顯的巖石裂隙。

2．3巷道兩幫變形巷道兩幫變形主要有以下三種具體形式:第一，巷道膨幫。巷道膨幫指巷道兩幫呈現(xiàn)出規(guī)則的鼓起，是一種比較常見(jiàn)的巷道變形形式。此類(lèi)問(wèn)題在整體結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖層、煤層中出現(xiàn)頻率較高。第二，巷幫開(kāi)裂或破壞。巷幫開(kāi)裂指巷道兩幫出現(xiàn)開(kāi)裂破壞。此類(lèi)問(wèn)題主要出現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)的厚巖和塊狀巖體中。第三，巷幫小塊危巖滑落或片幫。該問(wèn)題指巷道兩幫出現(xiàn)一定程度的巖石滑落，其主要出現(xiàn)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)破碎帶。

3煤礦開(kāi)采中預(yù)防巷道變形可采取的措施

3．1優(yōu)化巷道布置優(yōu)化巷道布置是最根本的預(yù)防措施之一，在諸多開(kāi)采技術(shù)因素中，巷道布置是最直接的巷道變形影響因素?；诖?，本文提出三點(diǎn)優(yōu)化巷道布置的有效措施。首先，要合理選擇巷道層位、位置。具體地說(shuō)，在進(jìn)行巷道設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要盡可能避免集中應(yīng)力、采動(dòng)集中應(yīng)力、煤柱集中應(yīng)力產(chǎn)生的影響。其次，技術(shù)人員可以選擇無(wú)煤柱護(hù)巷方式，隨著開(kāi)采深度的不斷加大，煤柱集中應(yīng)力會(huì)不斷提高，給巷道帶來(lái)的壓力越來(lái)越大，這是無(wú)法規(guī)避的問(wèn)題。要有效解決這一問(wèn)題，可以采用無(wú)煤柱護(hù)巷方式，通過(guò)提高煤炭回收率、采用沿空掘巷技術(shù)等方式降低煤柱對(duì)巷道的影響。最后，技術(shù)人員還可以通過(guò)先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)，尋找合適的點(diǎn)位設(shè)置斷層煤柱，使巷道能夠避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，避免復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)斷層破壞巷道。

3．2改革支護(hù)技術(shù)與工藝隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，我國(guó)煤礦開(kāi)采深度越來(lái)越深，可開(kāi)采的煤炭資源范圍也在不斷擴(kuò)大，在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活提供更多煤炭資源的同時(shí)，也給巷道支護(hù)帶來(lái)了諸多難題。煤礦開(kāi)采技術(shù)的飛速發(fā)展使原有的支護(hù)技術(shù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸失去適用性，在開(kāi)采深度不斷加大的今天，原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的開(kāi)采需求。而要控制巷道變形，又離不開(kāi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的幫助。因此，改革與優(yōu)化支護(hù)技術(shù)和工藝是控制巷道變形必不可少的措施之一。具體地說(shuō)，企業(yè)可以采用二次支護(hù)工藝。二次支護(hù)工藝指在初次支護(hù)結(jié)構(gòu)搭建完成后，一段時(shí)間之后再為巷道加裝二次支護(hù)結(jié)構(gòu)，在等待的時(shí)間內(nèi)，初次支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)與圍巖形成了一定的穩(wěn)定性，圍巖地壓得到充分釋放，二次支護(hù)結(jié)構(gòu)可以對(duì)余下的變形圍巖起到有效的抵抗作用，進(jìn)而達(dá)到有效的支護(hù)效果。

3．3進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與步驟巷道設(shè)計(jì)是巷道建設(shè)的起始環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段做好巷道變形預(yù)防工作，可以有效規(guī)避諸多因素的影響，減少巷道變形與破壞的可能性。首先，企業(yè)要做好應(yīng)力與地質(zhì)評(píng)估工作。根據(jù)上文敘述，地質(zhì)環(huán)境是影響巷道變形的重要自然因素，而應(yīng)力存在于地質(zhì)環(huán)境中，是會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生直接影響的關(guān)鍵因素。因此，要優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與步驟，企業(yè)必須要做好應(yīng)力與地質(zhì)評(píng)估工作。具體地說(shuō)，技術(shù)人員要對(duì)圍巖的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行詳細(xì)勘探，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的巷道設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。其次，要合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。研究人員可以根據(jù)收集的地質(zhì)評(píng)估數(shù)據(jù)，選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù)。為保證支護(hù)參數(shù)的準(zhǔn)確性和有效性，企業(yè)可以采用BIM技術(shù)等虛擬施工技術(shù)，建立虛擬模型，對(duì)設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬檢測(cè)，以保證其支護(hù)作用能夠有效發(fā)揮。最后，要對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，不可能完全有效，必然會(huì)存在一定的問(wèn)題與缺陷，使用虛擬技術(shù)檢測(cè)支護(hù)參數(shù)的根本目的不是為了指出存在的問(wèn)題，而是要更好地解決支護(hù)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。因此，技術(shù)人員應(yīng)將支護(hù)參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化放在重要位置，通過(guò)虛擬技術(shù)模擬并發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題后，技術(shù)人員要第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，并再次進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，直至該支護(hù)參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)論

綜上所述，造成巷道變形的直接因素有很多，還有一些因素雖然不會(huì)直接導(dǎo)致巷道變形，但會(huì)在一定程度上加劇、加速巷道變形，或影響巷道變形的表現(xiàn)形式。具體地說(shuō)，煤礦開(kāi)采中的巷道變形影響因素有自然環(huán)境因素和開(kāi)采技術(shù)因素。針對(duì)這兩種因素及巷道變形的具體形式，本文提出優(yōu)化巷道布置、改革支護(hù)技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等具體的巷道變形預(yù)防策略，圍繞提出的策略開(kāi)展巷道設(shè)計(jì)與建設(shè)工作，可以有效降低出現(xiàn)巷道變形問(wèn)題的概率，為具體的煤礦開(kāi)采實(shí)踐活動(dòng)提供一定的理論指導(dǎo)。

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作者:劉強(qiáng) 李峰 馬家輝 單位:陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司