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康紅普:巷道圍巖控制需深入研究的九大問題
2021-01-08 17:28:16   來源: 巖石力學與工程學報

   我國煤礦以井工開采為主,需要在井下掘進規模巨大的巷道工程(每年新掘巷道約12 000 km)。巷道的暢通與穩定是保障煤礦安全、高效生產的必要條件。

  

  巷道圍巖控制是研究巷道從開挖到報廢全服務周期中礦山壓力顯現(包括圍巖與支護體變形、破壞、失穩等)規律及其控制的學科。

  

煤礦巷道圍巖控制技術體系


  經過70年的發展,我國煤礦巷道圍巖控制技術取得突破性進展。對煤系沉積巖地層地質力學特征、巷道圍巖變形與破壞規律的認識不斷加深;圍巖控制理念實現了從被動支護到主動控制、圍巖與支護共同承載的跨越,預應力支護、主動改性、主動卸壓等圍巖控制方法得到廣泛認可;圍巖控制設計實現了從靜態、經驗設計到動態、信息化、系統性、科學設計的轉變;支護材料經歷了從木材、水泥(混凝土)到鋼材的變革,形成了以錨桿支護為主,多種方法并舉的圍巖控制格局;施工機具經歷了人工、半機械化、機械化的發展過程,正向自動化、智能化邁進。我國煤礦已形成具有中國特色的巷道圍巖控制技術體系,顯著提高了巷道圍巖控制效果和安全程度,為井工煤礦實現安全、高效生產奠定了堅實的基礎。

  

  盡管如此,我國煤礦巷道圍巖控制技術還存在很多問題,需要繼續深入研究。

  

  (1) 煤礦巷道圍巖地質條件存在復雜性、多變性的特點,煤層作為圍巖的一部分,是煤礦巷道的鮮明特色。目前,對巷道圍巖,特別是煤層地質力學特性,包括煤層中的孔隙、裂隙、節理、割理、層理等結構分布與力學參數,煤層中的地應力、瓦斯對煤層力學性質的影響等缺乏深入研究。地應力測量主要在比較完整的巖層中進行,鮮有煤層地應力實測數據。應加強井下原位煤巖體地質力學測試與分析,集中開展煤力學的研究與攻關,進一步深化對巷道圍巖物理力學特性的認識。在此基礎上提出新的煤礦巷道圍巖分類方法,為巷道圍巖控制理論研究與設計提供基礎。

  

  (2) 采動應力具有在時空上不斷移動、變化的特征,是煤礦巷道的又一大特色。雖然進行了大量的采煤工作面周圍及煤柱支承壓力監測、理論分析與模擬研究,但還缺乏能長期、穩定、有效監測采動應力的技術與儀器,還沒有完全弄清三維采動應力的時空演化規律;不同采煤方法與參數的工作面開采后形成的上覆巖層結構,對巷道圍巖穩定性影響的研究還不充分。需要從應力測試、監測、模擬、理論建模等各個方面,系統開展采動力學研究,為巷道圍巖控制提供力學基礎。

  

  (3) 圍巖大變形是煤礦巷道的顯著特征。雖然采用彈塑黏性等連續介質力學理論及多種數值模擬方法研究了圍巖變形與破壞規律,但分析及計算結果與井下實際情況還有較大差距。應針對煤巖體介質非均質、非連續、各向異性、內含多尺度孔隙、裂隙及水、瓦斯等特點,及不連續、不協調擴容變形是圍巖大變形的主要組成部分,采用多尺度、多場、多相耦合及加卸載結合的研究方法,進一步開展采動煤巖體力學行為的研究,建立適合煤巖體,特別是煤層的本構關系與力學模型,以揭示煤礦巷道圍巖變形破壞的本質,使分析及計算結果更接近實際。

  

  (4) 支護與圍巖相互作用是巷道圍巖控制研究的核心問題。應將圍巖與支護看成相互作用、共同承載的整體,圍繞強度、剛度及穩定性等開展支護力學研究。繼續深化原巖應力場、采動應力場與支護應力場“三場”分布特征及相互作用研究;深化各種圍巖控制方式與圍巖相互作用機制的認識;進一步研究支護與改性相互協調、互補的作用機制,支護與卸壓耦合作用機制及支護–改性–卸壓“三位一體”聯合控制作用原理;在此基礎上,提出更適合煤礦巷道圍巖控制的新理論、新方法。

  

  (5) 巷道圍巖控制設計雖有很大進展,但仍有不少礦區還以經驗設計為主,缺乏普遍認可、定量化的設計方法。應進一步提高初始設計的合理性,加大動態化、信息化、系統性設計方法的推廣力度,積極運用現代信息技術,實時、精確捕捉設計全過程中的各種信息,及時進行反饋,不斷優化圍巖控制設計,并確保巷道安全。

  

  (6) 錨桿支護已成為煤礦巷道圍巖控制的主體方式,解決了一般條件巷道支護問題。但對于復雜困難巷道,仍有很多難題需要深入研究。在錨桿支護理論方面,需要進一步研究大變形巷道錨桿支護機制、錨桿與錨索協調作用機制等。在錨桿支護材料與構件、井下施工及監測等方面,還需開發適應高應力、大變形、強沖擊的錨桿新材料、新產品;優化錨桿支護構件幾何參數及力學性能,研究構件的匹配性;開發錨桿高精度加工工藝與設備,提高錨桿加工質量;研制錨桿、錨索預應力精確施加技術與設備,確保施工質量;研發快速、準確、無損的錨桿監測系統,滿足信息化設計與安全的要求。

  

  (7) 注漿加固是破碎圍巖控制的有效手段。但是與注漿材料和設備的發展相比,注漿理論研究已明顯滯后。需要深入研究漿液在不規則節理、裂隙及交叉裂隙網絡中的擴散流動規律,圍巖各向異性、漿液時變性等因素對注漿效果的影響。在注漿材料方面,需不斷開發更適合煤礦巷道圍巖的新型低成本、環境友好型注漿材料。在注漿質量檢測與注漿效果評價方面,研發能實時監測注漿壓力、流量、漿液黏度等注漿參數的儀器,及可靠的注漿效果檢測儀器,以提高注漿施工質量,準確評價注漿效果。

  

  (8) 卸壓法是高應力、強采動巷道圍巖控制的有效應力途徑。目前,水力壓裂法得到較多應用,但無論在水力壓裂卸壓機制、工藝技術,還是施工機具、設備及監測儀器方面,仍需進行大量深入的研究工作。包括煤巖體中水力裂縫起裂、擴展規律及卸壓機制;水力壓裂參數的定量化設計,提高設計的合理性與科學性;水力壓裂機械化、自動化施工設備研發,提高施工質量與效率;水力裂縫擴展與卸壓效果檢測、監測儀器開發,實現水力壓裂效果的準確評價。

  

  (9) 除個別巷道地質條件好的礦區,我國煤礦巷道掘進速度仍普遍較低,不能滿足采煤工作面快速推進的要求。應根據不同巷道圍巖條件,開發不同形式的快速掘進與支護技術及裝備,提高掘進與支護作業的機械化、自動化水平,并向智能化發展,從而大幅提高成巷速度,解決日益突出的采掘接續緊張的矛盾。

  

  總之,隨著我國煤礦開采深度、范圍、強度的不斷增加,軟弱破碎圍巖巷道、深部高應力巷道、受強烈采動影響巷道、沖擊地壓巷道等復雜困難條件越來越多,對巷道圍巖控制技術提出更高、更嚴格的要求,在今后很長一段時間內,仍需要進行持續不斷的攻關研究。



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