煤礦開采中巷道變形的影響分析

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巷道變形是煤礦開采過程中的突出問題之一，嚴重影響了煤礦開采效率，更威脅了煤礦開采人員的生命安全。因此，巷道變形問題一直是國內學者關注的焦點問題，研究人員和行業從業者對巷道變形問題的解決措施開展了多項研究，并切實取得了一些研究成果。對現有研究文獻進行梳理與分析時發現，對巷道變形影響因素的研究較少，為進一步提高研究水平，本文從該研究視角出發，深入闡述了巷道變形的影響因素和控制方法，具有一定創新意義和理論補充價值。

1煤礦開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采過程中最重要的影響因素之一，對煤礦開采活動和巷道的影響是多方面的，是導致巷道變形與破壞的主要因素。自然因素包含的內容很多，不同自然因素的影響途徑、作用強度有所區別。具體而言，自然影響因素包括以下幾點:第一，巖石性質與構造特征。該因素可以被概括為地質環境影響，需要更具體地分析該因素，將其劃分為兩個方面。首先，巖石性質。巖石的軟硬程度是影響巷道變形的主要因素，如果煤礦所處地區的巖石性質較軟，更容易出現巷道變形問題，支護難度會變得更高［1］。重要的是，性質較軟的巖石出現巷道變形的情況是多元的，即會引發多種形式的巷道變形。如果巖石性質較硬，其自身支撐力更強，出現巷道變形的概率較小，但仍會受到其他因素影響，進而出現巷道變形，巖石性質較硬的地區出現巷道變形引發的后果更嚴重，處理難度更大。其次，構造特征。構造特征主要指地質構造，煤礦所處區域的地質構造會直接影響巷道變形，如巖層層理、節理及斷層等地質構造的存在，會使巷道圍巖出現不規則的弱面結構，嚴重破壞圍巖的整體性和持續性，進而影響圍巖本身的結構強度和承載能力，從而造成巷道變形。第二，開采深度。開采深度對巷道變形的影響是直接的。具體來說，隨著開采深度的不斷加大，巷道上覆巖層的厚度不斷加大、重量不斷提升，給巷道帶來的負擔越來越重，極大地增加巷道變形的可能性。此外，開采深度還會影響地下巖石溫度，開采深度越大，地下巖石溫度越高。巖石性質會在高溫的影響下發生變化，由脆性轉變為塑性，導致硬度降低、性質偏軟、支撐能力下降，進而引發巷道塑性變形。第三，巖層傾角。巖層傾角會對巷道變形與破壞形式產生直接影響。具體地說，巖層傾角不同，巷道的受壓程度與強度存在很大區別。巷道受力方向、受力強度等造成的巷道變形問題也有所不同。通常來說，處于緩傾斜或水平巖層的巷道，頂板容易出現對稱性下沉，兩幫變形也較為均勻;而處于傾斜或急傾斜巖層的巷道，容易出現非均勻、非對稱的巷道變形情況，兩幫變形的強度也遠高于頂板。第四，礦井水的影響。水對巷道的影響同樣突出，礦井水會加速和加劇巷道變形。具體來說，礦井水的影響途徑有以下幾種:①對巖石強度的影響。當巖石長時間受到礦井水的沖刷或浸泡時，自身強度會降低，出現巖石軟化現象，巖石性質被改變，巷道自然也會受到巖石性質的影響，進而出現巷道變形問題［2］。②對泥質類軟巖的影響。泥質類軟巖自身性質具有特殊性，在遇到礦井水時會出現泥化、崩角、膨化、碎裂等現象，嚴重破壞巖石強度，進而引發巷道變形。③對巖石摩擦系數的影響，在礦井水的沖刷下，破碎巖石的摩擦系數會進一步降低，個別巖石和碎塊會掉落，進而影響巷道整體性，加劇巷道變形與破壞。④對巷道底板的影響，礦井水可能會侵蝕巷道底板，引起巷道底鼓問題。第五，時間因素影響。時間因素的影響主要體現在巖石性質和地質結構上。具體來講，在時間因素的影響下，巖石不可避免地會出現風化、侵蝕等問題，進而降低巖石強度。此外，巖石自身具有一定流變性，隨著時間推移，巖石流變會越來越嚴重，當達到一定程度后，巷道周邊地質結構就會發生較大變化，進而造成巷道變形與破壞。

1．2開采技術因素除自然因素以外，開采技術的選擇與使用也會導致巷道變形。造成巷道變形的開采技術因素主要有以下幾點:第一，巷道布置。巷道布置方式有很多，不同的方式會對巷道變形產生不同的影響。例如，受一側采動影響還是受兩側采動影響、受初次采動影響還是多次采動影響等。第二，留煤柱回采。在留煤柱回采過程中，如果巷道保護煤柱留設不足，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對巷道產生一定破壞。采取鉆眼爆破破巖時，爆破產生的沖擊波會對周邊巖石產生一定影響。需要注意的是，沖擊波對巖石的影響還與巖石自身性質相關，如果巖石自身性質較軟，就會出現較嚴重的松動。以軟巖為例，沖擊波會使軟巖產生1～1．5m的松動圈。第四，支護方式與支護結構。支護方式與支護結構是煤礦開采與巷道建設過程中最重要的部分。煤礦開采過程中，可采用的支護方式與支護結構有很多，常用的支護方式有留煤柱護巷、巷旁澆筑剛性充填帶護巷等，不同的支護方式與支護結構適用的范圍不同，能否選擇合適的支護方式會嚴重影響支護成效，如果支護結構無法發揮應有的支護作用，巷道就會發生變形［3］。此外，支護掘進方式也是影響巷道變形的重要技術因素之一，如果支護掘進方式選擇不恰當，則無法有效規避采煤工作面帶來的劇烈采動影響，進而出現巷道變形與破壞。

2煤礦開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，頂板規則冒落。所謂規則冒落，是指頂板的冒落十分工整、平滑，該類頂板冒落主要出現在泥巖、砂質頁巖層中，部分含有泥巖夾層的松軟巖層也可能出現規則冒落問題。第二，頂板不規則冒落。不規則冒落與規則冒落相反，冒落形狀是非常不規則的，導致不規則冒落的主要原因在于頂板處于斷層等地質結構破碎帶，很難出現規則平滑的冒落。第三，頂板彎曲下沉。頂板彎曲下沉是比較常見的巷道變形問題，在巷道上覆巖層的重量影響下，不可避免地會出現彎曲下沉現象。此類事故多發生在近水平或緩傾斜煤層結構中，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，更容易出現頂板變形，頂板和兩幫變形會變得更均勻;而在傾斜度較大的巖層中，巷道兩幫會比頂板更容易出現變形問題，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。此類變形問題主要發生在自身強度較低、塑性較高的巖層中，比較常見的巖層是黏土質巖石。第二，底板膨裂。底板膨裂指巷道底板出現明顯的鼓起或脹裂，根據其強度不同可以歸類為變形或破壞。底板膨裂與底板塑性膨脹的發生原因大體相同，但二者的表現形式完全不同，因為二者所處的地質環境區別很大。在軟巖層中，巖石塑性較強，會出現塑性膨脹;在硬黏土巖石層中，巖石硬度高而塑性低，會出現底板膨裂，多表現為明顯的巖石裂隙。

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出規則的鼓起，是一種比較常見的巷道變形形式。此類問題在整體結構或層狀結構的巖層、煤層中出現頻率較高。第二，巷幫開裂或破壞。巷幫開裂指巷道兩幫出現開裂破壞。此類問題主要出現在整體結構的厚巖和塊狀巖體中。第三，巷幫小塊危巖滑落或片幫。該問題指巷道兩幫出現一定程度的巖石滑落，其主要出現在地質結構破碎帶。

3煤礦開采中預防巷道變形可采取的措施

3．1優化巷道布置優化巷道布置是最根本的預防措施之一，在諸多開采技術因素中，巷道布置是最直接的巷道變形影響因素?；诖耍疚奶岢鋈c優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，在進行巷道設計時，設計人員要盡可能避免集中應力、采動集中應力、煤柱集中應力產生的影響。其次，技術人員可以選擇無煤柱護巷方式，隨著開采深度的不斷加大，煤柱集中應力會不斷提高，給巷道帶來的壓力越來越大，這是無法規避的問題。要有效解決這一問題，可以采用無煤柱護巷方式，通過提高煤炭回收率、采用沿空掘巷技術等方式降低煤柱對巷道的影響。最后，技術人員還可以通過先進的觀測技術，尋找合適的點位設置斷層煤柱，使巷道能夠避開地質構造區，避免復雜的地質構造或地質斷層破壞巷道。

3．2改革支護技術與工藝隨著煤礦開采技術的不斷發展與進步，我國煤礦開采深度越來越深，可開采的煤炭資源范圍也在不斷擴大，在為經濟發展、人民生活提供更多煤炭資源的同時，也給巷道支護帶來了諸多難題。煤礦開采技術的飛速發展使原有的支護技術與支護結構逐漸失去適用性，在開采深度不斷加大的今天，原有的支護結構已經不能滿足當前的開采需求。而要控制巷道變形，又離不開支護結構的幫助。因此，改革與優化支護技術和工藝是控制巷道變形必不可少的措施之一。具體地說，企業可以采用二次支護工藝。二次支護工藝指在初次支護結構搭建完成后，一段時間之后再為巷道加裝二次支護結構，在等待的時間內，初次支護結構已經與圍巖形成了一定的穩定性，圍巖地壓得到充分釋放，二次支護結構可以對余下的變形圍巖起到有效的抵抗作用，進而達到有效的支護效果。

3．3進一步優化設計方法與步驟巷道設計是巷道建設的起始環節，在設計階段做好巷道變形預防工作，可以有效規避諸多因素的影響，減少巷道變形與破壞的可能性。首先，企業要做好應力與地質評估工作。根據上文敘述，地質環境是影響巷道變形的重要自然因素，而應力存在于地質環境中，是會對巷道產生直接影響的關鍵因素。因此，要優化設計方法與步驟，企業必須要做好應力與地質評估工作。具體地說，技術人員要對圍巖的結構、強度及區內構造應力場等進行詳細勘探，收集相關數據，為后續的巷道設計提供數據支持。其次，要合理設計支護參數。研究人員可以根據收集的地質評估數據，選擇合適的支護結構，并設計合理的支護參數。為保證支護參數的準確性和有效性，企業可以采用BIM技術等虛擬施工技術，建立虛擬模型，對設計的支護參數進行模擬檢測，以保證其支護作用能夠有效發揮。最后，要對支護參數進行調整。支護參數設計完成后，不可能完全有效，必然會存在一定的問題與缺陷，使用虛擬技術檢測支護參數的根本目的不是為了指出存在的問題，而是要更好地解決支護結構問題。因此，技術人員應將支護參數的調整與優化放在重要位置，通過虛擬技術模擬并發現相關問題后，技術人員要第一時間對其進行調整，并再次進行模擬檢驗，直至該支護參數符合相關標準。

4結論

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直接導致巷道變形，但會在一定程度上加劇、加速巷道變形，或影響巷道變形的表現形式。具體地說，煤礦開采中的巷道變形影響因素有自然環境因素和開采技術因素。針對這兩種因素及巷道變形的具體形式，本文提出優化巷道布置、改革支護技術、優化設計方法等具體的巷道變形預防策略，圍繞提出的策略開展巷道設計與建設工作，可以有效降低出現巷道變形問題的概率，為具體的煤礦開采實踐活動提供一定的理論指導。

參考文獻:

［1］許磊，祁樂，張慶．深部高地應力巷道圍巖變形特征分析與支護應用［J］．山東煤炭科技，2022，40(09):36－38．

［2］畢穎，趙政文．沖擊高應力膨脹破碎軟巖大變形巷道控制機理研究［J］．煤礦安全，2022，53(07):174－180．

［3］喬志，孫華清，王聰，等．頂煤破壞區采動影響下巷道變形機理與控制技術［J］．煤炭工程，2022，54(06):95－100.

作者:劉強 李峰 馬家輝 單位:陜西正通煤業有限責任公司