煤矿掘进工作面过断层巷道支护技术探析

引言

当前煤矿开采深度越来越大，井下开采面临的地质条件越来越复杂，整个巷道承受着非常高的地应力，再加上各种类型开采、掘进扰动等因素影响，给巷道支护带来了巨大的挑战。从当前对巷道支护的情况来看，锚杆和锚索支护、注浆加固等方式的应用较为普遍，在很多情况下也取得了较好的支护效果。但是随着巷道埋深的增大，再加上围岩支护条件较差等因素的影响，这种传统单一支护方式在很多情况下表现出明显的弊端和不足。特别是巷道在掘进过程中遇到断层等地质构造情况下，带来的支护难题更为突出，在这种情况下，若仍选择使用工程类比方式，容易出现支护失效的问题。

1 断层带巷道支护的主要技术难题

1.1 围岩稳定性控制失效

断层破碎带岩体呈现“散体 - 碎裂”双重特性，内摩擦角比完整岩体降低20^∘ -30^∘ ，黏聚力不足 0.3MPa ，导致传统支护系统失效。某矿 3105 掘进面穿越落差 3.5m 的正断层时，采用常规锚杆支护（间排距 800×800mm） ），开挖后24 小时内发生顶板冒落，范围达 5m×3m×1.2m 。断层倾角与掘进方向夹角小于 30^∘ 时，更容易形成“楔形滑落体”，某案例显示此类工况顶板事故发生率是垂直穿越的 2.3 倍。断层水加剧围岩恶化，当含水率超过 8% 时，碳质页岩强度骤降 60% ，遇水崩解时间不足 4 小时。某矿掘进面揭露导水断层后，2 小时内就出现帮部片帮，最大深度达 1.5m，迫使工作面停产治水。此外，断层活化产生的动压冲击，会使支护系统承受瞬时荷载达静载的3-5 倍，远超设计强度。

1.2 支护系统适应性不足

刚性支护与围岩变形不匹配，普通工字钢支架在收敛量超过 200mm 时即发生塑性破坏，某矿统计显示此类破坏占断层带事故的 57% 。锚杆锚固力衰减迅速，在破碎带中锚固力损失率达 40%-60% ，传统树脂锚杆在断层泥夹层中锚固长度不足设计值的 1/2。超前支护存在“时间 - 空间”盲区，采用 3.5m 长超前锚杆时，有效支护长度仅 2.5m ，循环进尺被迫控制在 1.0m 以内，比正常段降低 60% 。某矿因未及时加长超前支护，在断层尖灭带发生超前冒顶，影响长度达 8m。支架与围岩接触不实形成“空顶区”，实测显示约 30% 的支架顶部存在50mm 以上空隙，导致应力集中。

1.3 施工工艺与监测滞后

爆破震动加剧围岩破碎，单循环炸药量超过 30kg 时，会使 3m 范围内岩体完整性系数从 0.6 降至 0.3 以下。某矿采用普通爆破过断层，造成断层带扩大至设计范围的 1.8 倍，支护难度陡增。支护时机把握不当同样致命，当围岩暴露时间超过 4 小时，破碎带稳定性急剧下降，某项目因此增加二次支护费用达120 元 /m。监测数据反馈滞后，传统测站间距 5-10m ，难以捕捉断层带局部失稳前兆。某深部矿井断层带发生冲击地压前，仅通过人工巡查发现异常，此时已错失最佳加固时机，导致支架损毁 12 架。此外，约 65% 的矿井未建立冲击地压与断层活动的关联监测，无法提前预警。

2 过断层巷道支护技术的创新应用

2.1 支护设计

煤矿实际掘进时，需对巷道进行支护处理，这是因为多数煤矿井下巷道易受岩石松软破碎等环境因素影响，引发巷道下沉、坍塌等事故，对巷道开挖工作进度造成影响。因此，需充分利用支护技术，加强巷道掘进保护，切实改善煤矿实际开采时巷道环境。副斜井延伸巷的巷道呈拱形，因此，针对巷道全程，需采用锚网索 + 喷浆的方式实施支护作业，对于地质破碎带，则可利用架设 U型棚的方式进行支护。其中，进行锚网索 + 喷浆支护，须使用锚杆及锚索等设施，可选择 MSGLW 准 20mm×2000mm 的全螺纹锚杆，以及由准 17.8mm×6300mm 高强度钢绞线加工形成的锚索。锚索安装要求如下： ① 以锚索托盘为标准点，锚索安装外露长度不大于 250mm 。 ② 保证锚索实际安装与巷道顶板形成夹角，角度要求不小于 75°。 ③ 利用树脂锚固剂固定锚索，利用锚索将锚固剂顶送至孔底，并在此过程中启动搅拌器，通过旋转搅拌，使锚固剂匀速推到孔底，随后上紧锚索索具。 ④ 注意锚索之间的安装顺序，其安装误差应控制在设计标准值200mm 以内。

2.2 地质勘探与预测技术

通过详细的地质勘探，可以充分了解巷道前方的地质构造和水文地质条件，为后续的防治工作提供科学依据。地质勘探主要包括物探和钻探两种方法。物探方法是通过观测和研究地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件的方法。在煤矿掘进巷道水害防治中，常用的物探方法包括地质雷达探测、瞬变电磁法、音频大地电磁法等。这些方法可以在不破坏地层的情况下，快速获取巷道前方的地质信息，对于预测水害隐患具有重要意义。例如，地质雷达探测可以利用高频电磁波在地下介质中的传播规律，探测出不同介质的界面，从而判断出巷道前方的岩性变化和含水情况。钻探方法是通过钻探设备向地下钻进，直接获取地层岩心和地下水样的方法。钻探可以直观地了解巷道前方的地质情况，包括岩性、构造、含水层等，为防治水害提供直接证据。在煤矿掘进巷道水害防治中，钻探常用于验证物探结果的可靠性和进一步探明含水层的具体情况。通过钻探，可以确定含水层的位置、厚度和富水性等关键参数，为后续的防治方案设计提供重要依据。在实际应用中，地质勘探与预测技术需要结合煤矿的具体地质条件和水害类型进行灵活运用。针对不同的水害隐患，可以采取不同的勘探方法和预测模型，以提高预测的准确性和可靠性。同时，地质勘探与预测技术还需要与其他防治技术相结合，形成完整的防治体系，确保煤矿掘进巷道的安全生产。随着科技的不断进步，地质勘探与预测技术也在不断创新和发展。未来，可以进一步探索新的勘探方法和预测模型，提高地质勘探的精度和效率，为煤矿掘进巷道水害防治提供更加有力的技术支持。同时，还需要加强地质勘探与预测技术的培训和推广，提高煤矿工作人员的专业素质和技术水平，确保防治工作的有效实施。

2.3 人工智能技术

人工智能技术在智能决策支持系统中起着核心作用，通过机器学习、深度学习和智能算法，为掘进工作的智能化管理提供强大的技术支持。机器学习算法能够分析掘进工作过程中的历史数据和实时数据，建立预测模型和优化模型，为决策提供科学依据。例如，通过分析掘进设备的运行数据，可以预测设备的故障风险并提出相应的维护建议。深度学习技术则用于对复杂的掘进工作环境和操作过程进行建模和仿真，优化掘进策略和操作方案。例如，建立地下环境的三维模型，模拟掘进过程中的岩层变化和支护效果，进而优化掘进参数。此外，智能算法能够优化掘进工作的各项操作和管理流程，提高掘进效率和安全性。

结语

煤矿掘进工作面过断层支护技术正从“被动承载”向“主动控制”转变。完善过断层支护体系需要“标准 - 技术 - 管理”协同：应修订《防治煤矿冲击地压细则》，增加断层带冲击地压防治专项条款；加快智能材料产业化，将记忆合金锚杆成本降低至传统产品的 1.5 倍；建立断层地质数据库，实现支护参数智能匹配。通过技术创新与跨界融合，推动过断层支护从“经验主导”向“数字驱动”跨越，为煤矿安全高效开采提供关键技术支撑。

参考文献：

[1] 孟德龙 . 沿空掘进拱形断面巷道过断层区域联合支护技术实践［J］.山东煤炭科技，2023，41（5）：39-41.

[2] 郭星江. 复杂条件下掘进巷道过断层破碎带支护技术研究与应用［J］.矿业装备，2022（5）：282-284.

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