采矿工程巷道掘进和支护技术的应用

郜晓龙

目前我国社会正处在飞速发展阶段，随着国家经济发展水平的不断提高，我国对大量的矿石资源需求也在与日俱增。在矿石的开采过程中，必须要严格做好巷道掘进与支护工作，才能提高矿石生产开采工作的安全性、可靠性和稳定性。因此，本文将会分析和探究采矿工程巷道掘进与支护情况。

1 采矿工程巷道掘进与支护技术基础介绍

巷道掘进支护是巷道掘进的前提，掘进前需要对巷道进行一定的处理才能进行后续掘进。地下矿山巷道数量多、使用周期普遍较长，且巷道的安全性要求也比较高，巷道的掘进与支护在地下矿山的生产和建设中占有极其重要的地位，是矿石开采的基础工程。

目前在矿山基建工程建设中较为常用的巷道掘进凿岩技术多为直眼掏槽和斜眼掏槽，在施工过程中会根据岩石性质、地质条件变化进行凿岩布孔方式的改变，比如在遇到软岩夹层时就会运用斜眼掏槽多打周边孔进行掘进。在进行掘进时，需要相应的凿岩出渣设备作为支持进行配合工作，从而确保工作效率以及工作质量，结合机械设备的力量将掘进工作进行系统化推进，很大程度上可以提升掘进工作效率。在巷道掘进工作完成之后，为支护作业的施工做好了准备，在具体的支护作业中可结合具体的围岩地质进行支护技术选择。在支护技术实施过程中需要注意永久矿柱的加固支护，以永久矿柱作为中心，在巷道的上下盘区进行永久矿柱的加固，很大程度上降低巷道的承压力，可以保证开拓巷道日常行人安全；另外需要注意的就是永久矿柱巷道掘进支护施工时排水工作和通风工作的开展，其很大程度上可以降低后续采矿工作受地压的影响程度。

2 巷道掘进和支护技术现状及重要性

2.1 巷道掘进和支护技术现状

在巷道掘进中比较常用的技术主要有综合机械掘进法、掘爆支一次成巷法、掘爆支分次成巷法。这三种技术在具体应用各有优缺点，应用条件范围存在较大差异。①综合机械掘进法主要应用在煤矿巷道的掘进施工，其是将多项设备结合在一起，以达到掘进的目的，具有高效快捷的特点，但应用成本相对比较高，且技术效果容易受巷道围岩硬度及机械设备质量的影响。在该方法应用过程中，一旦有机械设备出现故障，该技术可能就无法顺畅的应用，且无法较好应用在围岩相对较硬的金属矿山。②掘爆支一次成巷法主要应用于小型金属矿山巷道的施工，其施工一般与巷道的支护，水沟、管线轨道的敷设一起进行，但如果大断面巷道受爆破效果影响，无法一次成巷，因此该方法只能用于小断面掘进施工。③掘爆支分次成巷法主要应用于大型机械化程度较高的地下矿山，其具体的施工除爆破凿岩外基本与一次成巷法一致，主要应用于矿山的关键硐室、开拓系统中。总的来说，现如今，巷道掘进和支护技术的方法虽多，但是不同施工方法在应用期间所发挥的作用效果各有不同，其应用范围也各不相同。

2.2 巷道掘进和支护技术应用的重要性

巷道掘进与支护技术应用的根本目的，就是为了提高施工的安全性和加快施工进度，增加掘进施工效率，提升矿山企业的经济效益。在矿山开采期间，如果没有巷道掘进和支护技术的有效应用，那么诸多地下矿石资源都难以成功从地下被运输到地面，施工人员的作业安全也将难以得到保障。正是因为有效应用了支护技术，巷冒顶片帮事故得以有效被预防，矿山生产安全性也得以保证。一般情况下，巷道掘进占用的工序时间占掘进总循环时间的60%以上，特别是掘进的出渣环节，因此巷道施工如何更加安全有效的节省掘进环节的工序时间，如何采用更加先进的掘进技术，如何更加合理的优化掘进的施工工序是提高巷道施工效率的要点。而巷道的支护又是保证巷道的安全稳定，使巷道掘进后围岩不会发生变形、垮落的关键，因此合理选择支护形式，掌握支护要点，对巷道施工具有很大的促进作用。

3 采矿工程掘进技术的应用方法要点

掘进工作是采矿工程前期的关键工作，其作业水平质量直接影响甚至决定着后续矿石开采的整体水平与效率。文章本部分将对采矿工程掘进技术的应用方法要点、设备选择进行分析研究。

（1）常用掘进技术方式。当前我国地下金属矿山机械化程度的提高极大的提高了巷道的掘进效率。然而，在巷道掘进过程中，必须要结合实际情况来与掘进设备相结合，以此来确保掘进施工过程中的安全性和有效性。如今，井下机械化设备大多数为供电、运输、凿岩、装岩、支护设备，因此在大断面掘进过程中，爆破的施工是比较关键的一个环节，实际的工作中需要结合围岩特性进行，来保证巷道掘进的效率和质量。目前我国普遍采用的控制巷道轮廓的爆破方法主要为光面爆破，光面爆破巷道成型规整，巷道很少出现超欠挖，同时也能减少爆破震动对巷道围岩产生的破坏，更加有利于巷道后期的支护。此外，目前国内也研发了掘支一体设备，这种设备是一种全断面快速掘进设备，目前已在一些大型矿山装备，该设备的特点是将井巷的岩石根据设计要求一次切割成型，高效装载、快速推进、精准导向，实现一次性掘支同步完成，具有智能化远程实时在线监控的性能，能够满足矿山掘进作业时的安全、高效、绿色、环保、信息化、机械化需求，这种设备在今后的不断优化改进中势必会得到大规模运用，势必会带来矿山开采技术的进一步革新。

（2）掘进水害防治工作。在进行掘进施工过程中，水害的防治是比较常见的安全隐患，需要引起足够的关注和重视。因此，在巷道掘进工作进行前，要采取有效措施来进行水文地质勘查工作，做好水害防治处理预案。在掘进过程中如遇疑似出水点，必须进行超前探水，保证巷道掘进的安全。同时，巷道掘进工作如出现少量出水时，必须要对涌水量给予实时、动态监测，以确保涌水量符合相关安全要求。面对水文地质复杂的矿山环境，国内对于水害的防治措施主要从“查、探、防、堵、截、排”六个技术要点出发进行施工，具体较先进的水害防治技术主要有“突水陷落柱阻水塞快速建造技术”、“高压动水大流量下巷道快速截流技术”、“地面顺层孔快速截流堵源技术”、“地面顺层孔超前区域治理成套技术”、“复杂介质大型帷幕建造技术”等。

（3）通风防尘工作。在巷道掘进工作中，通风防尘工作是非常重要的环节，新的金属非金属矿山安全规程不仅对采掘工作面风流的氧气、二氧化碳、含尘量等有相关要求，而且对工作面的供风量、风速、空气温度均进行了具体规定。因此，巷道掘进作业时，通风也是主要考虑的重点。在进行巷道通风工作时，需要根据实际的施工情况来对通风机设备、风筒布置等进行科学合理选择，以此来确保通风机的有效风量及在多种复杂条件环境下通风机发挥有效作用。在通风防尘设计整体规划时，要按照要从整体的角度出发，对通风防尘工作给予全面、系统的规划，以确保巷道掘进工作的安全、高效。目前我国地下矿山掘进作业面主要采用的通风方法从通风动力上划分主要有自然通风和机械通风两种，从通风机在作业面安装的位置不同进行划分主要有压入式、抽出式、压抽混合式。通风方式的具体设计选择及风筒的大小均需要根据需风量、风阻、炸药使用量、通风距离等进行综合考虑，然后通过详细的计算进行选择。

（4）巷道掘进设备的选择。巷道的掘进包含打眼、爆破、通风、装运岩、支护等环节。巷道掘进打眼设备主要有凿岩机、凿岩台车、潜孔钻机等，其主要是通过动力传动装置带动钻杆钻头进行高速旋转，从而实现在岩石中打孔的目的。因此凿岩设备的合理选择有助于提高巷道钻孔效率、钻孔质量，同时也将对采矿掘进作业整体成本带来重大影响。爆破工作是巷道掘进整个流程中相对简单的工作，但却是技术性最高、危险性最大的一项工作，爆破器材主要有炸药、雷管、导爆管、炮泥等组成。巷道的通风设备主要有离心式风机和轴流式风机两种。巷道掘进中的装岩工作是掘进循环作业中最繁重又耗费工时的工序，先进的机械化设备及合理的施工调度可以提高装岩效率，缩短施工时间，减少工人的施工强度。我国常用的装岩设备主要有装岩机、装运机、耙渣机、电耙等。井下巷道的支护设备主要包括锚杆机、喷浆机、注浆设备等，具体的选择与支护方式的选择相联系。

4 采矿工程巷道掘进技术的应用

4.1 永久性支护技术的应用

在巷道掘进完成后，必须及时进行永久性支护。因此，采矿技术人员需结合围岩特性确定具体支护方式。永久性支护主要分为锚网支护技术、预制钢支架支护技术、混凝土支护技术等形式。锚网支护技术的支护效果较为理想，经济性和安全性优势也尤为明显。常见的锚网支护技术有锚杆网支护、锚索网支护，二者性能存在明显差异，选用材料也有不同。在安装锚杆、锚索的过程中，要求施工人员依据围岩的差异、围岩松动圈的不同来确定其具体型号。同时，在安装过程中，锚固剂的选择也有较多种类，具体施工要依据不同围岩情况进行选择。预制钢支架技术采用预制的钢支架，在矿山掘进过程中进行一次性施工，以维护顶板的安全，该技术支护强度大，投入成本也大，但安全有效通过交叉围岩。常见的钢支架多为工字钢拱形和梯形形式。混凝土支护技术包括浇砼支护技术、喷砼支护技术。浇砼支护技术主要用于矿山开拓工程的主要巷道、硐室，通过浇砼形成整体承载来抵抗围岩应力，能够防止围岩较大变形，形成整体防护，确保主要工程的安全。喷砼支护是一种快速支护技术，往往用于围岩十分稳固的巷道，但通常也与钢架、锚网相结合使用。

4.2 临时性支护技术

临时支护指为达到巷道掘进工作中的临时性而必须开展的支护工作。为确保临时性支护品质，运用时要重视掌握以下几点：一方面，确定临时支护前的永久支护方式，不同的永久支护方式其前期的临时支护也不同。巷道选择锚网喷永久支护时，应采用素喷浆临时支护，施工便捷，工艺简单，成本较小。巷道选择预制钢支架进行永久支护时，其临时支护应选择钢性护顶材料支护，目前国内部分矿山此类情况一般选择前探梁预支护、超前导管预支护等多种形式。巷道顶板跨度较长、断面较大时，需要采用特制机载临时支护装置，这种装置目前正在国内一些大型矿山进行设备改装推广，该装置部件结构简单紧凑、连接强度高,易拆装,无复杂操作,使用安全、维修简单方便，可实现了机械化支护作业,适应井下恶劣的环境,大大降低了工人的劳动强度,提高了劳动效率,为掘进施工提供了安全保障。修复钢架巷道在支护时一般采用单体螺旋点柱进行临时支护，该技术是在拆除旧钢架或者维修钢架的下方，沿巷道纵向支设单体支柱，单体支柱顶部需加设垫板，然后旋转舵盘将单体点柱升起，使垫板和被支护钢架牢牢固定，临时支护完成。

4.3 巷道修复支护技术

近年来，由于受采动、构造、布置、支护等综合因素影响，一些地下矿山主要巷道在掘进和回采过程中变形和破坏较为严重，影响了矿井的正常生产秩序。由于岩层构造复杂，具有软岩特征显著，高地应力等特点。特别是采准巷道在受采动压力、矿柱残余应力和高地应力等的多重影响后，使巷道一年维修5次～6 次，严重威胁矿井安全生产，导致采掘接替失调。针对大变形的巷道，为了保证生产往往需要进行修复，较为有效的巷道修复支护技术目前有U 型钢支护技术、预注浆支护技术等。

U 型钢支护技术在应用过程中对金属支架的伸缩性有着极高要求，一旦围岩发生变形可迅速起到支护效果。U 型钢支护技术和支护形式主要有全封闭U 型钢支架和半封闭U 型钢支架两种。全封闭U 型钢支护技术即将U 型钢提前加工成圆形或椭圆形的几组构件，支护时通过U 型钢卡子进行连接，这种支护技术充分考虑围岩的支护让压和支护抗压原则，既可以承受较大的垂直地压，又可以承受较大的水平地压，施工简单、拆卸方便，同时可以根据工程地质的特点，对来压部位提前进行补强与事后泄压，以确保支护的长期有效性。半封闭U 型钢支护技术及底板不进行支护的一种技术，但往往因为垂直方向的地压导致U钢架发生破坏，从而影响支护效果。

预注浆支护技术较为复杂，是先通过对破碎围岩进行预注胶结材料，使巷道的围岩进行改性，增加其抗地压破坏能力，然后再进行永久支护的技术。围岩注浆加固往往与其他巷道支护形式结合起来使用，它可以改善围岩岩性和应力分布，缩小围岩变形，减轻支架承受的外载压力，改善支架的受力情况。但从部分矿山应用注浆支护技术反馈的意见来看，该技术应用的前提是巷道破碎的围岩中存在裂隙，假若巷道围岩为膨胀性矽卡岩，注浆材料将很难深入岩石缝隙。

4.4 联合支护技术

巷道在支护过程中往往面临着十分复杂的地质、围岩环境，若围岩为富水软岩，支护难度会进一步增加，单纯的采用某一种支护方法，其效果并不理想，所以如今国内已形成了锚杆锚索联合支护及锚注网、锚喷网联合支护技术等，将不同的支护技术进行联合使用并采取一定的泄压方式，可以使每一种支护技术发挥出最大价值，明显提高支护效果。针对复杂围岩巷道支护现场实践来看，采用普通锚杆、预应力锚杆、钢丝（绳）网、喷射混凝土、注浆、浇筑混凝土、钢支架、卸压槽等形式进行组合，形成有效的巷道支护方法。

4.5 围岩再造支护技术

对于一些老矿山，因矿山资源价格升高等原因，前期未进行回收的矿石资源需要后期再次进行回收。因此，后期就需要利用原开拓工程进行进一步的采切回采，但由于巷道维护缺乏、地压变化等原因，巷道形变量大，且存在冒落空顶的工程巷道，正常支护技术无法满足使用，这种情况下选择围岩再造支护技术比较合适。建有充填系统的矿山可以通过调整充填浆灰沙比来对原形变量大进行充填治理，使巷道的围岩达到合理强度，然后在进行开掘。充填改造支护技术在建有充填系统且围岩较差的矿山经常进行使用，这种围岩再造支护技术目前暂无系统性的研究理论，但实际生产中效果较好，适合建有充填系统的矿山进行使用。矿山无充填系统的，可以采用纳米粘结材料灌注支护技术，该支护技术主要是通过加压设备将纳米粘结材料注入预定巷道位置，巷道围岩裂隙、松动圈等围岩形变空间经过纳米粘结材料的粘结，围岩重新进行了改造，达到一定的强度后再次进行巷道的开掘。目前这种纳米粘结材料灌注围岩再造支护技术在国内许多科研院所、采矿高校均进行过不同程度的研究，也取得了一定的研究成果，未来通过粘结材料的进一步发掘与改进，这种支护技术将会更加普遍的应用在矿山的施工中。

5 结语

在采矿工程专业项目实施过程中，为了更好地保证矿山巷道掘进支护品质、生产安全和经济成本、施工进度等，因此，务必要进一步重视掘进技术方式的选择和落实，把握巷道围岩的性质，重视工程支护体制的创建，健全工程质量检查的体系，保证所选择的支护方式、掘进施工技术各项关键点的落实，从而才能更好的提升公司经济效益，保证矿山安全生产。同时在矿山的巷道施工技术选择上要充分论证巷道的工程地质条件，通过详细的地质勘察与岩石强度分析、水文条件分析，针对不同的地质围岩情况，选择不同的巷道掘进技术及支护方式，确保巷道的长久使用， 防止巷道发生反复破坏后进行反复无用支护，从而才能更好的提升巷道的服务年限，减少工程浪费，降低工程投资。

对此，采矿技术人员应当详细掌握掘进与支护各种技术方式，充分了解其适用条件，进而充足把握关键技术关键点，从而保证才能保证巷道掘支施工的安全，控制好其施工成本，推动矿山高质量安全发展。