圍巖控制是煤礦安全生產的基礎，也是掘進提效的前提。隨著煤礦采深不斷加大，在近期多個技術交流會上，多名專家學者強調巷道支護、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，煤礦應根據(jù)巷道圍巖壓力、圍巖強度以及相互關系，正確選擇巷道布置和支護方法，使巷道位于應力降低區(qū)內，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，地質構造條件不盡相同。受巖石性質及構造特征影響，掘進遇到強度較低的軟弱巖層時，很容易發(fā)生冒頂，如泥質膠結的頁巖；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。巖石的構造特征對巷道變形破壞性質和規(guī)模也有影響，如巷道頂板中有弱面（應力薄弱面）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家康紅普在日前召開的全國煤礦復雜難采煤層開采現(xiàn)場會上指出，我國煤礦巷道圍巖控制技術主要有支護法、加固法、應力控制法和聯(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部，保持圍巖自承能力，如應用錨桿、錨索，注漿；應力控制法即減少或轉移巷道周圍高應力，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，支護技術原理、工藝方法持續(xù)變革，產品日新月異，思路正從被動單一因素防治向主動全要素協(xié)同控制轉變。”中國礦業(yè)大學教授李桂臣在近期召開的新質生產力賦能能源行業(yè)高質量發(fā)展研討會上表示，如錨桿懸吊+架棚支撐+噴層和網、錨桿強化+組合加固+注漿加固、卸壓+應力補償+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—高預應力錨桿與錨索支護技術”，并已在多個礦井實踐應用。“‘支護—改性—卸壓’時空協(xié)同控制即先進行錨桿錨索高預應力主動支護。針對圍巖裂隙發(fā)育，應用高應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，在工作面采動應力升高前卸壓，減小側方懸頂和采空區(qū)后方懸頂面積，降低應力集中程度。對于軟巖，及時噴漿封閉，防止圍巖遇水軟化、膨脹以及風化極為重要。”康紅普表示。經了解，這是一種通過時間與空間協(xié)同，控制應力強度，進而控制變形的技術新思路，核心在于把過往在巷道里被動支護轉變?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)出高預應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。“通過高預應力錨桿與錨索主動支護，在錨固區(qū)形成預應力承載結構，從而減小偏應力，控制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調的擴容變形，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

我國煤田地質條件復雜，整體呈現(xiàn)出錯綜復雜樣貌。神府—東勝煤田地質變化相對較少，煤層厚，圍巖控制上有優(yōu)勢；開灤煤田水文地質條件復雜，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生影響；川南煤田煤層傾角大、斷層多，水文地質條件相對復雜，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，未對沖擊地壓巷道的復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，支護構件被撕裂和破壞。”吳擁政在開展一系列實驗基礎上指出。他建議，沖擊地壓巷道應優(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，應合理設計和提高錨桿和錨索的強度、沖擊韌性、延伸率等力學指標。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護表，選用抗沖擊液紋編織鋼筋網，“上鋼下經”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件的相關標準。”吳擁政說。在大埋深、高應力環(huán)境、構造復雜、圍巖軟弱、含水層影響等復雜因素疊加下，南方煤礦煤巖體巷道圍巖穩(wěn)定性及安全空間構建，逐漸成為建設安全高效礦井和釋放優(yōu)質產能的瓶頸。不同于北方礦區(qū)，南方礦區(qū)地質構造復雜，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新進展研討會上指出，受巖體應力效應、巖體強度弱化、開采擾動影響、動力沖擊破壞、裂隙擴容效應、流固耦合效應等多種致災源作用機制影響，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構、松動變形壓力折損支架、動力災害沖破關鍵部位；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，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（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、軟巖等復雜巷道，康紅普指出，圍巖擴容是高應力巷道大變形的主要原因。“高應力、強采動誘發(fā)高偏應力，高偏應力下巖石發(fā)生剪切或拉伸破壞，出現(xiàn)破裂導致巖石體積增加。圍巖強度隨偏應力增大、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。原支護方式為錨網索噴+滯后注漿，圍巖產生大變形，兩幫移進4米，累計底鼓6米以上。巷道圍巖控制方案調整后，新的支護方式為“高預應力錨桿支護—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%，綜合經濟成本降低23.34%。

在控制基礎上實現(xiàn)快掘智掘

除保證生產安全外，圍巖控制關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，煤巷掘進的導向應滿足回采接續(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，支護方式應滿足在變形破壞中維持結構穩(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。應基于頂板時效穩(wěn)定性，區(qū)分掘進速度。”李桂臣表示。經了解，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，柔性網、泵送式錨固劑、無機注漿新材料新工藝等關鍵技術創(chuàng)新。他們與山東、安徽、江蘇等地的公司開展支護配套產品研發(fā)，開發(fā)出柔性網、薄噴、無機注漿料、錨注輔助裝置以及高強預應力帶肋托盤等支護產品。技術成果在鄂爾多斯礦區(qū)600米至700米埋深煤巷和泥巖、砂巖復合頂板開展應用，提高了掘進速度。“圍巖控制是智能快掘的基礎先決保障。智能快掘需要多學科協(xié)調創(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