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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

康红普:巷道围岩控制需深入研究的九大问题

2021-01-12

  我国煤矿以井工开采为主,需要在井下掘进规模巨大的巷道工程(每年新掘巷道约12 000 km)。巷道的畅通与稳定是保障煤矿安全、高效生产的必要条件。

  

  巷道围岩控制是研究巷道从开挖到报废全服务周期中矿山压力显现(包括围岩与支护体变形、破坏、失稳等)规律及其控制的学科。

  

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煤矿巷道围岩控制技术体系


  经过70年的发展,我国煤矿巷道围岩控制技术取得突破性进展。对煤系沉积岩地层地质力学特征、巷道围岩变形与破坏规律的认识不断加深;围岩控制理念实现了从被动支护到主动控制、围岩与支护共同承载的跨越,预应力支护、主动改性、主动卸压等围岩控制方法得到广泛认可;围岩控制设计实现了从静态、经验设计到动态、信息化、系统性、科学设计的转变;支护材料经历了从木材、水泥(混凝土)到钢材的变革,形成了以锚杆支护为主,多种方法并举的围岩控制格局;施工机具经历了人工、半机械化、机械化的发展过程,正向自动化、智能化迈进。我国煤矿已形成具有中国特色的巷道围岩控制技术体系,显著提高了巷道围岩控制效果和安全程度,为井工煤矿实现安全、高效生产奠定了坚实的基础。

  

  尽管如此,我国煤矿巷道围岩控制技术还存在很多问题,需要继续深入研究。

  

  (1) 煤矿巷道围岩地质条件存在复杂性、多变性的特点,煤层作为围岩的一部分,是煤矿巷道的鲜明特色。目前,对巷道围岩,特别是煤层地质力学特性,包括煤层中的孔隙、裂隙、节理、割理、层理等结构分布与力学参数,煤层中的地应力、瓦斯对煤层力学性质的影响等缺乏深入研究。地应力测量主要在比较完整的岩层中进行,鲜有煤层地应力实测数据。应加强井下原位煤岩体地质力学测试与分析,集中开展煤力学的研究与攻关,进一步深化对巷道围岩物理力学特性的认识。在此基础上提出新的煤矿巷道围岩分类方法,为巷道围岩控制理论研究与设计提供基础。

  

  (2) 采动应力具有在时空上不断移动、变化的特征,是煤矿巷道的又一大特色。虽然进行了大量的采煤工作面周围及煤柱支承压力监测、理论分析与模拟研究,但还缺乏能长期、稳定、有效监测采动应力的技术与仪器,还没有完全弄清三维采动应力的时空演化规律;不同采煤方法与参数的工作面开采后形成的上覆岩层结构,对巷道围岩稳定性影响的研究还不充分。需要从应力测试、监测、模拟、理论建模等各个方面,系统开展采动力学研究,为巷道围岩控制提供力学基础。

  

  (3) 围岩大变形是煤矿巷道的显著特征。虽然采用弹塑黏性等连续介质力学理论及多种数值模拟方法研究了围岩变形与破坏规律,但分析及计算结果与井下实际情况还有较大差距。应针对煤岩体介质非均质、非连续、各向异性、内含多尺度孔隙、裂隙及水、瓦斯等特点,及不连续、不协调扩容变形是围岩大变形的主要组成部分,采用多尺度、多场、多相耦合及加卸载结合的研究方法,进一步开展采动煤岩体力学行为的研究,建立适合煤岩体,特别是煤层的本构关系与力学模型,以揭示煤矿巷道围岩变形破坏的本质,使分析及计算结果更接近实际。

  

  (4) 支护与围岩相互作用是巷道围岩控制研究的核心问题。应将围岩与支护看成相互作用、共同承载的整体,围绕强度、刚度及稳定性等开展支护力学研究。继续深化原岩应力场、采动应力场与支护应力场“三场”分布特征及相互作用研究;深化各种围岩控制方式与围岩相互作用机制的认识;进一步研究支护与改性相互协调、互补的作用机制,支护与卸压耦合作用机制及支护–改性–卸压“三位一体”联合控制作用原理;在此基础上,提出更适合煤矿巷道围岩控制的新理论、新方法。

  

  (5) 巷道围岩控制设计虽有很大进展,但仍有不少矿区还以经验设计为主,缺乏普遍认可、定量化的设计方法。应进一步提高初始设计的合理性,加大动态化、信息化、系统性设计方法的推广力度,积极运用现代信息技术,实时、精确捕捉设计全过程中的各种信息,及时进行反馈,不断优化围岩控制设计,并确保巷道安全。

  

  (6) 锚杆支护已成为煤矿巷道围岩控制的主体方式,解决了一般条件巷道支护问题。但对于复杂困难巷道,仍有很多难题需要深入研究。在锚杆支护理论方面,需要进一步研究大变形巷道锚杆支护机制、锚杆与锚索协调作用机制等。在锚杆支护材料与构件、井下施工及监测等方面,还需开发适应高应力、大变形、强冲击的锚杆新材料、新产品;优化锚杆支护构件几何参数及力学性能,研究构件的匹配性;开发锚杆高精度加工工艺与设备,提高锚杆加工质量;研制锚杆、锚索预应力精确施加技术与设备,确保施工质量;研发快速、准确、无损的锚杆监测系统,满足信息化设计与安全的要求。

  

  (7) 注浆加固是破碎围岩控制的有效手段。但是与注浆材料和设备的发展相比,注浆理论研究已明显滞后。需要深入研究浆液在不规则节理、裂隙及交叉裂隙网络中的扩散流动规律,围岩各向异性、浆液时变性等因素对注浆效果的影响。在注浆材料方面,需不断开发更适合煤矿巷道围岩的新型低成本、环境友好型注浆材料。在注浆质量检测与注浆效果评价方面,研发能实时监测注浆压力、流量、浆液黏度等注浆参数的仪器,及可靠的注浆效果检测仪器,以提高注浆施工质量,准确评价注浆效果。

  

  (8) 卸压法是高应力、强采动巷道围岩控制的有效应力途径。目前,水力压裂法得到较多应用,但无论在水力压裂卸压机制、工艺技术,还是施工机具、设备及监测仪器方面,仍需进行大量深入的研究工作。包括煤岩体中水力裂缝起裂、扩展规律及卸压机制;水力压裂参数的定量化设计,提高设计的合理性与科学性;水力压裂机械化、自动化施工设备研发,提高施工质量与效率;水力裂缝扩展与卸压效果检测、监测仪器开发,实现水力压裂效果的准确评价。

  

  (9) 除个别巷道地质条件好的矿区,我国煤矿巷道掘进速度仍普遍较低,不能满足采煤工作面快速推进的要求。应根据不同巷道围岩条件,开发不同形式的快速掘进与支护技术及装备,提高掘进与支护作业的机械化、自动化水平,并向智能化发展,从而大幅提高成巷速度,解决日益突出的采掘接续紧张的矛盾。

  

  总之,随着我国煤矿开采深度、范围、强度的不断增加,软弱破碎围岩巷道、深部高应力巷道、受强烈采动影响巷道、冲击地压巷道等复杂困难条件越来越多,对巷道围岩控制技术提出更高、更严格的要求,在今后很长一段时间内,仍需要进行持续不断的攻关研究。


这项研究得到了国家重点研发计划的资金支持,成果以《我国煤矿巷道围岩控制技术发展70 年及展望》为题发表于《岩石力学与工程学报》2021年第1期。

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  责任编辑:宫在芹
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1967年12月生,浙江富阳人。1989年毕业于淮南矿业学院地质系获煤田...

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