上坪矿区巷道压力控制及支护现状探讨

刘 宇

（江西铁山垅钨业有限公司，江西 赣州 342300）

当前，矿区巷道支护技术发展十分迅速，取得了较好的研究成果。通过深入分析支护作用原理，了解矿区复杂困难巷道支护处理难题，能够提高矿区巷道支护的整体水平。因此，需要探寻控制矿区巷道压力状况的有效策略，获得更好的支护效果。

1 上坪矿区巷道支护及压力控制现状分析

上坪矿区多采用浇筑型混凝土材料，耗费成本较高，使用过程中具有较大的限制性。上坪矿区土壤较软，地质状况较差，土壤高龄化现象严重，导致巷道的稳定性较差，使得采矿区域面临着较大的挑战。在高龄化土壤地段有效控制巷道的压力状况是重难点，尤其是对于采矿区地质较差及高岭土化区域而言。

图1 高龄化土壤地段巷道支护

在局部压力大的巷道用低强度的坑木支护往往达不到巷道所需的防护要求，只能做为前期施工的安全措施，或短期使用，过后仍需采用较高强度的混凝土支护。在使用一段时间后又要返修、部分墙体或顶板垮蹋甚至报废，这是矿区现阶段安全支护的现状。

图2 矿区安全支护图

图3 采矿区巷道切割图

矿区部分切割、采准等巷道服务周期短，但又在高岭土化脉带或软矿体中，受压力影响大，需要进行维护、这类巷道维护成本高，维护的投入产出比相当低。现阶段如何控制好巷道支护的强度，合理使用维护材料，做到即经济又合理，并达到技术上的要求，是目前矿区采矿工作的技术难题难点。

2 上坪矿区地下工程巷道的特点

开拓巷道、采准巷道、生探沿脉巷道及切割巷道是常见的地下矿山类型，矿区也是这样。经过长时间的使用，巷道会经历起直到闭坑的过程。为了缩短施工时间，可以采用切割巷道的方式。切割巷道之后，会出现临时性巷道，只有一次使用寿命，经历开采、出矿之后便会报废，导致巷道的服务时间较短，投入值与产出值之间的比值较小。通常情况下，需要根据实际使用时间确定支护成本，避免出现过多投入的现象。巷道容易受到开采过程的影响，发生断层的概率较高，高龄化的矿体也会影响其他巷道的安全性，变形及倒落现象发生的概率较高，耗费了较高的维修成本，使用价值较低。分层巷、电耙道、底部结构的沿脉巷、装矿巷道是此类巷道的主要类型，容易受到外界爆破力量及出矿过程的影响，导致矿体遭到了严重的破坏。经历较长时间的维护过程，仍然需要二次支护、返修等操作，确定坑木支护和维护土建工程的重点位置，扩大工程施工区域。通过分析矿区的实际作业情况，发现此类作业点多属于掩体强度较低的区域。

3 矿区的地质与支护关系概况

在采矿区范围内，岩石类型多为寒武系变质砂岩、夹板岩等，稳固性位于中等水平，断层及节理等地质构造发育状况良好，F3沿脉断层沿矿区Ⅰ带南侧边缘贯穿整个矿带，Ⅰ带中部一条NE向缓倾斜断层F2将Ⅰ带南北错动20余米。采矿区矿脉以及部分填充着高岭土节理发育区域中的软土矿层构造具有明显的风化特征。在稳定温度及湿度环境中不容易遭到风化作用，但在空气中暴露较长时间之后，风化速度便会加快。尤其是在断层、节理发育范围，断层节理、裂隙中区域风化特别严重压力显现也很快，造成矿体的稳固性急剧降低，导致在采矿范围内的井巷工程需支护维护的特别多，而且多数为只使用一次的工程，如电耙道斗穿、分层巷的支护，使用期短，还需返修。这些巷道有些仅需对抗顶板压力，有些需要应付高岭土风化膨胀带来的压力，有些需要应付采动地压及采区爆破等外力的影响保障巷道的安全使用。

4 影响巷道矿体压力的地质因素

地质因素、开采过程影响、支护技术选择等都会影响矿层的压力分布状况。常见的地质影响因素可以叙述如下。

4.1 原矿应力状态

原岩应力会对周边矿层产生严重的破坏，引发矿层变形状况，力度大小与开采深度相关。在矿区开采过程中，随着深度的增加，巷道矿体压力的大小及方向都会产生较大变化。原始矿层中的主应力大小与方向具有较大差别，可能会对航道产生不同程度的影响，改变了巷道的压力分布状态。

4.2 矿体力学性质

矿体强度属于力学性质的重要部分。例如，矿层的抗压能力、抗拉能力与内摩擦角大小等都属于力学性质范畴。若矿体的强度较小，则其内部压力通常较大；若矿体的强度较大，则其内部压力通常较小。对于内摩擦角数值较大的岩层，内部压力较小。粘聚力大小会对内摩擦角数值产生较大影响，在弹性与可塑性的综合影响之下，会引发矿体产生变形状况。矿层的可塑性与流动性也会产生其内部压力分布状况。部分巷道的内部压力较大，通常与矿体的可塑性质有关。

4.3 矿体结构

若矿体结构面的强度远低于结构体强度，则该结构分布状况会对矿层压力产生较大影响。弱面是产生矿层破坏的初始位置，也是矿体压力发生巨大变化的主要原因，如断层、发育区等位置处。层状的矿层具有定向若面的特征，矿体周围的密度状况与其倾斜角大小具有密切关联。若矿层的平行位置和巷道走向的夹角较小，将会造成矿层松动的后果，增加了矿体结构为内部的应力水平。倾角较小的矿层具有较高的稳定性，顶压状况良好。

4.4 膨胀压力的影响因素

影响膨胀压力的因素主要有矿体的组成与胶结状态，物理化学性质，围岩中水分的补给状况，水与矿体的接触条件，支护和充填层的可塑性等。

矿体组成成分与胶结状态都是影响膨胀压力大小的重要因素。亲水性较强的矿物质会使得粘土层膨胀作用变强。高岭土中具有大量的水分，可以使得矿层晶结构内外两侧的土发育成为水化层。经过风化作用之后，矿体会出现不同程度的破坏迹象。再次与水结合之后，会吸收矿体中大量的水分，增加了矿层周围水膜的具体厚度。颗粒结合的过程会释放出大量的水分，产生了较大的楔压力，加快了矿层结构的崩溃与瓦解进程。为此，为了保持矿体的稳固性，需保持矿体湿度不变，避免其浸水，减弱风化作用影响。

其次，围岩应力状态也是影响膨胀压力的重要因素。矿体的应力状况会影响其吸水状况。若矿体的应力较高，其膨胀总量较小；若矿体的应力较低，其膨胀总量则会较高。在开挖矿区之前，需要确定膨胀因素的应力状态，改变径向应力状况，有效规避矿体的膨胀状况。通常情况下，矿体应力降低幅度与膨胀压力增高幅度相关。

最后，水分渗入围岩的深度与范围是影响膨胀压力的重要因素。地下水及缝隙水是矿体水分的重要来源，水分含量可能会对膨胀压力状况产生较大影响。水分渗入矿体的深度及范围大小与水分补给类型与补给情况密切相关，决定着水分进入矿层的难易程度。

一般说来，水分补给越充分，矿体节理越发育，矿体扰动就越大，开挖后的时间越长，则水分渗入到矿体的深度和范围就越大。此外，矿体失水风干也是矿体增大渗入深度的重要原因。许多膨胀性矿体在不发生风干脱水的条件下，即使浸水也不会膨胀崩解，只有开掘巷道后，改变了围岩的自然状态，使围岩风干脱水，并继续浸水才会膨胀崩解，此外，对膨胀性围岩，开挖后应立即严密封闭，防止其松动和风干并采取防水和排水等措施。封闭既是为了防止风干脱水，又是为了防止水与矿体的作用；防水，排水则是为了防止风干后的矿体再吸水。这样从积极方面阻止膨胀过程的发生与发展，是防止矿层膨胀的重要措施。

4.5 围岩压力的影响因素

围岩的破坏形式主要分为塑性破坏和脆性破坏，塑性破坏是指围岩在受到一定外力作用后无法恢复到原来的形状，使围岩发生形变，结构遭到破坏，导致采矿施工难度增加；脆性破坏是指围岩在受到外力作用后虽无显著变形但突发破坏的状况。其中，脆性围岩破坏的情况与变形程度与矿区的矿体结构有关，一般破坏形式包括：矿体会出现弯折凸出、裂缝或大范围坍塌、矿体表面脱落或掉裂、爆炸等；塑性破坏围岩主要受到应力作用和地下水作用，围岩的破坏形式主要包括：矿体膨胀凸出、塑流涌出、坍塌等。围岩受到的压力不同，针对制定的支护措施也不同。如围岩的压力类型一般有四种，分别为变形压力、松动压力、膨胀压力、冲击压力。在地下工程施工过程中，需要对地下矿体进行开挖，围岩结构将遭到不同程度的破坏，使围岩应力无法保持平衡，可能造成坍塌或岩爆等事故。为了保障在地下开挖的过程中施工人员的人身安全与硐室使用的稳定性与安全性，需要分析不同地段围岩受到的压力，对此采取支护措施来使围岩应力保持平衡，阻止围岩发生破坏与变形。在安装围岩支护结构的过程中，围岩与支护结构之间产生一定相互作用，围岩对支护结构造成的压力被称为围岩压力，围岩压力按照受力方向可分为水平压力、垂直压力、底部压力。在矿区采矿过程中，围岩应力与围岩压力都可称为矿山压力。影响围岩压力的主要因素包括：第一，来自于矿体的初始应力状态和开挖硐室的形状、大小，硐室的形状一般有圆形、椭圆形、矩形、半圆形等，其中，圆形与椭圆形硐室的单位面积矿体的内力强度集中程度较低，因此围岩压力较小；第二，地下水的影响；第三，支护结构的形式与安装支护结构的时间与强度；第四，施工工艺，巷道掘进工艺不同，对于围岩造成的破坏程度不同，因此围岩压力不同。

5 巷道矿压控制原理

巷道中出现较大的矿压属于正常的自然现象，难以在开采过程中完全消除。但是需要在掌握巷道矿压显现规律的基础上，将岩石力学理论作为重要基础与依据，尽可能降低矿压对于巷道的损害作用，获取良好的技术与经济生产效果，达到控制矿区生产压力的最终目标。巷道的矿压控制方案主要可以被分为以下几种途径：

首先，需要保护巷道。即维持矿体的强度水平，保持岩层应力的适应性，保障巷道生产的稳定性，降低各类矿压因素引发灾害的概率。例如，在选择备用截断面时，可以选择一些能够维持巷道稳定性的截断面形状，在巷道旁边留下人工保护区域，将硬度较大的岩层集中起来，有效降低区域内整体应力水平。当前，天窗的设置可以将矿区与地表有效连接起来，改变矿区周围的应力分布状况，避免用力过度集中，使得巷道整体处于应力较低的状态，维护矿区各个段落的稳定性与安全性。

其次，需要支护巷道。即应用各种先进的科学技术手段应对矿层变形及冒顶现象，避免围岩周围出现严重的变形状况，延长巷道的使用寿命，提升其使用价值。例如，矿区矿层内部经常会出现由于地质构造引发的矿层变形状况，导致巷道变形严重，片帮及冒顶现象十分明显，岩层应力过度集中，严重影响了巷道的稳定性与安全性。为了确保巷道能够被正常使用，需要及时采取维护的策略，避免冒顶现象持续发展，降低各类不安全因素可能对人们产生的破坏。

最后，需要维护并维修巷道。即为了提高支护巷道的稳定性，避免其出现持续恶化后果，需要及时采取一些修复策略。例如，为保护软弱矿体不受冲击破坏，保护矿体的稳定性，从而保证工程的使用，如大采的分层巷与矿区电耙道斗穿及耙道的维护就是如此。

6 现阶段矿区支护的主要形式及压力控制的手段

坑木短期支护与钢筋混凝土支护技术是上坪矿区巷道支护最常用的技术类型。

首先，坑木支护技术的使用时间较短，属于临时性的支护技术，在处理岩层破碎及冒顶状况时发挥着重要作用，通常还需要额外使用钢筋混凝土技术进行冒顶。其次，钢筋混凝土矿层支护技术可以有效加固矿层，保持其稳定性，使用时间较久，使用经验丰富，需要耗费较高的安全检查费用，工艺处理过程十分复杂。当前矿区开采对于速度的要求日益提高，该技术不能满足实际生产需求。

截至当前，巷道支护策略是维护巷道安全生产过程的重要处理策略。在探寻科学的支护策略时，需要明确各种类型巷道的基本特征，了解支护技术的重要目标及基本处理策略，树立正确的处理思想，科学设置支护参数信息，选择合理的支护材料及支护设备，使其符合矿层基本性质、压力状况及最长服务时间，使其能够用于各种截断面形状中，尽量降低资金投入水平，切实保障矿区生产过程的安全性与可靠性。当前，上坪矿区生产并未积极引入新型材料与新型设备，需要加大革新力度，改善支护技术的缺陷，综合运用多样化的支护技术，根据现场施工状况选择支护类型。例如，对于高岭土化矿区，可以运用喷射混凝土的方式进行处理，获得比钢筋混凝土支护更好的效果，提高矿体的稳定性，科学处理冒顶片帮现象，获得理想的支护效果。同时，也应该降低支护成本，确保工程质量，为采矿企业谋取更多经济效益。

7 结语

综上所述，矿区支护状况与其地质状况密切相关，需要明确影响压力控制及支护状况的主要因素，了解巷道压力控制原理，明确当前支护技术发展现状，探寻支护有效形式及压力控制的有效策略，提高矿区开发水平与采矿效率。