王建棟

(包鋼集團(tuán)礦山研究院,內(nèi)蒙古 包頭市 014010)

0 引言

礦山井下巷道是采礦過程中必不可少的一部分,其支護(hù)工作對(duì)于保障礦工安全、提高采礦效率具有非常重要的意義。巷道支護(hù)不僅能夠有效地避免礦山事故,而且還能夠提高巷道的穩(wěn)定性和使用壽命,保障生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性[1-5]。常見的巷道支護(hù)方法包括鋼筋混凝土襯砌、預(yù)制拱形支架、錨桿支護(hù)、注漿支護(hù)等。這些支護(hù)方法具有各自的特點(diǎn)和適用范圍,需要針對(duì)不同的巷道類型和地質(zhì)條件進(jìn)行選擇和應(yīng)用。比如,在地質(zhì)條件較好的地方,可以采用鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行支護(hù);在地質(zhì)條件較差的地方,可以采用錨桿支護(hù)或注漿支護(hù)等方法來提高巷道的穩(wěn)定性和安全性[6-8]。因此,加強(qiáng)金屬礦山巷道支護(hù)工作的研究和實(shí)踐,對(duì)于保障礦山生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定、提高采礦效率,以及推動(dòng)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

1 金屬礦山巷道支護(hù)的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外礦山巷道支護(hù)的發(fā)展歷程

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,礦山采礦比例逐年增加,礦井巷道的建設(shè)也愈加重要。20世紀(jì)50年代,我國(guó)礦山巷道支護(hù)技術(shù)主要采用木質(zhì)框架、木板和木梁等傳統(tǒng)材料支護(hù)。20世紀(jì)60年代末至70年代初,鋼材、混凝土和磚石等材料得到了廣泛應(yīng)用。這些新型材料基本上解決了傳統(tǒng)材料使用過程中的缺點(diǎn),節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力資源。此后,人們又采用了桿式支護(hù)、網(wǎng)片支護(hù)、噴錨支護(hù)等新技術(shù),這些技術(shù)的應(yīng)用大大提高了礦山巷道的安全性和穩(wěn)定性。而支護(hù)理論的發(fā)展是隨著我國(guó)對(duì)于礦產(chǎn)資源的開發(fā)后逐漸形成的,由于我國(guó)資源需求量大以及國(guó)家對(duì)于資源開發(fā)的科研投入增多,到目前為止,我國(guó)在支護(hù)理論方面逐漸形成了許多自己的觀點(diǎn),并且有些理論都在實(shí)踐中一步步地得到了證實(shí)。我國(guó)現(xiàn)有的主要支護(hù)理論有:軸變理論和系統(tǒng)開發(fā)理論、聯(lián)合支護(hù)理論、錨噴-弧板支護(hù)理論、關(guān)鍵部位耦合組合支護(hù)理論、圍巖松動(dòng)圈理論等。

隨著人們對(duì)礦山巷道支護(hù)技術(shù)的深入研究,國(guó)外的礦山巷道支護(hù)技術(shù)也發(fā)展得十分迅速。20 世紀(jì)80年代初期,美國(guó)礦業(yè)機(jī)械公司研究出了一種新型的鋼材鉆孔錨桿支護(hù)系統(tǒng),該系統(tǒng)在支護(hù)效果和節(jié)約成本方面都取得了顯著成果。而在歐洲,鋼筋混凝土和擠塑板支護(hù)也得到了廣泛應(yīng)用。這些支護(hù)材料和技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn),不僅提高了礦山巷道整體的安全性和穩(wěn)定性,還有助于減少對(duì)環(huán)境和自然資源的破壞和損失[9-15]。國(guó)外對(duì)于支護(hù)理論的研究比較早,目前最為實(shí)用且有發(fā)展的理論有:新奧法理論、應(yīng)變控制理論、能量支護(hù)理論等。

1.2 目前礦山巷道支護(hù)存在的問題

在礦山巷道支護(hù)領(lǐng)域,盡管已經(jīng)有了很多新型材料和技術(shù)的應(yīng)用,但仍然存在著一些問題和難點(diǎn)。

(1) 地質(zhì)條件復(fù)雜。巷道支護(hù)在不同地質(zhì)條件下需要選擇不同的支護(hù)方法,但地質(zhì)條件復(fù)雜、多變性高,給支護(hù)設(shè)計(jì)和施工帶來了挑戰(zhàn)。地質(zhì)條件的不同可能導(dǎo)致巷道支護(hù)的適用性存在差異,需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)和施工,并且不同的地質(zhì)條件需要不同的支護(hù)措施和支護(hù)材料。隨著礦山深度的不斷增加,巷道支護(hù)也越來越復(fù)雜,需要更加高端的技術(shù)和設(shè)備來應(yīng)對(duì)。

(2) 質(zhì)量控制。由于礦山巷道的特殊性質(zhì),其支護(hù)工作必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成,并且需要保證工程質(zhì)量,目前在支護(hù)質(zhì)量控制方面還存在一些問題,如施工監(jiān)測(cè)不及時(shí)、不準(zhǔn)確,工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不一致等。因此,需要建立完善的質(zhì)量控制體系,加強(qiáng)對(duì)支護(hù)施工和質(zhì)量的監(jiān)管和評(píng)估,并且需要通過優(yōu)化施工工藝和提高技術(shù)水平來實(shí)現(xiàn)更加高效、精準(zhǔn)的巷道支護(hù)[16-21]。

(3) 安全風(fēng)險(xiǎn)。巷道支護(hù)涉及到工人的安全和施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。如果支護(hù)設(shè)計(jì)不合理或施工過程中出現(xiàn)問題,可能會(huì)導(dǎo)致安全隱患和事故發(fā)生。因此,需要加強(qiáng)對(duì)巷道支護(hù)施工的監(jiān)測(cè)和控制,確保施工過程的安全性。

(4) 支護(hù)方法選擇和優(yōu)化。不同的巷道支護(hù)方法有其適用范圍和特點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中,支護(hù)方法的選擇可能不夠科學(xué)和系統(tǒng)。一些企業(yè)可能傾向于傳統(tǒng)的支護(hù)方法,而忽視了新興技術(shù)和材料的應(yīng)用,造成了施工效率低下和支護(hù)效果不理想。因此,需要加強(qiáng)支護(hù)方法的研究和應(yīng)用,優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)。

(5) 環(huán)境友好性。目前,巷道支護(hù)中使用的材料和方法可能對(duì)環(huán)境造成一定的污染和影響。例如,使用大量的鋼筋和混凝土可能會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物和二氧化碳。因此,需要注重巷道支護(hù)的環(huán)境友好性,在支護(hù)設(shè)計(jì)和施工中考慮環(huán)境因素,采用環(huán)保材料和技術(shù),減少對(duì)環(huán)境的影響。

2 金屬礦山巷道支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

金屬礦山巷道支護(hù)是礦山建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和安全管理中的重要環(huán)節(jié)。在礦山開采過程中,由于巷道貫通、巖體開挖和巷道穩(wěn)定等因素的影響,巷道支護(hù)需要應(yīng)用多種技術(shù)和設(shè)備,以確保巷道的穩(wěn)定和安全。因此,地質(zhì)勘探技術(shù)、巷道預(yù)處理技術(shù)、支護(hù)材料與設(shè)備的選擇以及支護(hù)方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等技術(shù),是金屬礦山巷道支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 地質(zhì)勘探技術(shù)

地質(zhì)勘探技術(shù)是金屬礦山巷道支護(hù)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行巷道建設(shè)之前,必須進(jìn)行地質(zhì)勘探工作,以確定巷道建設(shè)的位置和方向。通過對(duì)巷道所處的地質(zhì)條件的詳細(xì)調(diào)查和分析,確定巷道支護(hù)所需的技術(shù)和采取的措施,以確保巷道建設(shè)的穩(wěn)定和安全[22-26]。

地質(zhì)勘探技術(shù)主要包括地質(zhì)勘探方法、地質(zhì)勘探人員的素質(zhì)、地質(zhì)勘探設(shè)備和地質(zhì)信息管理系統(tǒng)。地質(zhì)勘探的方法包括地面勘探和井下勘探。地質(zhì)勘探人員應(yīng)具有良好的地質(zhì)和工程知識(shí),能夠?qū)Φ刭|(zhì)條件進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評(píng)估。地質(zhì)勘探設(shè)備應(yīng)能夠滿足地質(zhì)勘探工作的需要,如地質(zhì)雷達(dá)、鉆機(jī)、地質(zhì)采樣器等。地質(zhì)信息管理系統(tǒng)的建立和完善,能夠?qū)Φ刭|(zhì)勘探的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和分析,為巷道支護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。

2.2 巷道預(yù)處理技術(shù)

巷道預(yù)處理技術(shù)是巷道支護(hù)的前置技術(shù),是保證巷道支護(hù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。巷道預(yù)處理技術(shù)包括巷道地質(zhì)勘探、巷道設(shè)計(jì)、巷道開挖、巷道清理和巷道檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

在巷道開挖之前,應(yīng)進(jìn)行巷道地質(zhì)勘探工作,以確定巷道建設(shè)的位置和方向,并對(duì)巷道所處的地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)估。在巷道設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮巷道所處的地質(zhì)條件,確定相應(yīng)的巷道支護(hù)措施。在巷道開挖期間,應(yīng)按照巷道設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行開挖作業(yè),確保巷道的穩(wěn)定和安全[27-30]。

巷道清理包括巷道爆破清理和巷道掃浮清理兩部分。爆破清理時(shí),應(yīng)按照爆破設(shè)計(jì)要求和安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作,避免對(duì)巷道產(chǎn)生過度的破壞。巷道掃浮清理時(shí),應(yīng)使用專業(yè)設(shè)備,避免對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的損壞。

2.3 支護(hù)材料與設(shè)備的選擇

支護(hù)材料和設(shè)備的選擇是巷道支護(hù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在選擇巷道支護(hù)材料和設(shè)備時(shí),應(yīng)考慮到巷道所處的地質(zhì)條件、巷道的規(guī)模、巷道的使用目的以及不同支護(hù)材料和設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn),選擇最適合的支護(hù)材料和設(shè)備。常用的巷道支護(hù)材料包括鋼材、鋼筋混凝土、錨索和噴射材料等。巷道支護(hù)設(shè)備包括伸縮支架、立柱支架、槍釘錨桿、網(wǎng)片錨桿以及混凝土支護(hù)等。

2.4 支護(hù)方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

支護(hù)方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化也是巷道支護(hù)中的重要環(huán)節(jié)。支護(hù)方法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要對(duì)巷道地質(zhì)條件進(jìn)行分析和評(píng)估,并結(jié)合巷道支護(hù)材料和設(shè)備的選擇,確定相應(yīng)的支護(hù)方法。針對(duì)不同的巷道地質(zhì)條件和支護(hù)材料,可以采用不同的支護(hù)方法,如錨桿支護(hù)、加固注漿支護(hù)、鋼架支護(hù)等[31-36]。

在巷道支護(hù)過程中,要及時(shí)對(duì)支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估,確保巷道支護(hù)的穩(wěn)定和安全。支護(hù)方法的優(yōu)化需要結(jié)合巷道支護(hù)過程中的實(shí)際情況,不斷改進(jìn)和完善,以滿足巷道支護(hù)的需求。

綜上所述,在巷道支護(hù)過程中,需要全面、深入地應(yīng)用這些關(guān)鍵技術(shù),確保巷道的穩(wěn)定和安全。同時(shí),也需要不斷地改進(jìn)和完善支護(hù)技術(shù),以適應(yīng)不同地質(zhì)條件和支護(hù)材料的需求。

3 巷道支護(hù)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

金屬礦山巷道支護(hù)是礦山開采中非常重要的工程措施之一。在實(shí)際工程中,巷道支護(hù)的安全性和可靠性直接關(guān)系到礦業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此,開展巷道支護(hù)的研究和應(yīng)用工作具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一般來說,巷道支護(hù)措施主要包括鋼筋網(wǎng)片噴混凝土支護(hù)、錨桿和錨索支護(hù)以及噴射聚氨酯支護(hù)等。這些支護(hù)措施既有適應(yīng)性強(qiáng)的通用性技術(shù),也有面向特定巖體、巷道類型的專用技術(shù)。以噴混凝土支護(hù)為例,該技術(shù)可以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,減輕巷道變形和開裂的風(fēng)險(xiǎn),有效保護(hù)礦工的安全。同時(shí),噴混凝土支護(hù)技術(shù)還具有施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)、工期短等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各類金屬礦山巷道支護(hù)工程中。另外,錨支護(hù)技術(shù)也是金屬礦山巷道支護(hù)中常用的一種技術(shù)。在鋼支撐的幫助下,通過預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索把支護(hù)結(jié)構(gòu)與地基或巖體牢固地連接在一起,從而增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度(見圖1)。同時(shí),錨桿與錨索技術(shù)還可以通過避免巷道擾動(dòng)、降低巖體變形等方式,有效減少礦山地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生頻率。

圖1 巷道錨索支護(hù)效果

在不同的礦區(qū)中,由于地質(zhì)環(huán)境和工程條件的不同,巷道支護(hù)方案也存在差異。為了保證巷道支護(hù)的效果和安全性,不同礦區(qū)需要選擇適合自身特點(diǎn)的支護(hù)措施。比如,位于較堅(jiān)硬巖石區(qū)域的金屬礦區(qū),一般采用噴混凝土支護(hù)技術(shù),因?yàn)樵摷夹g(shù)可以有效增加巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,同時(shí)減少巷道變形和開裂的風(fēng)險(xiǎn)(見圖2)。而在較軟巖石區(qū)域的金屬礦區(qū),錨桿和錨索技術(shù)則更適合用于巷道支護(hù),因?yàn)樵摷夹g(shù)可以增加支護(hù)結(jié)構(gòu)與地基或巖體的牢固連接,從而增加整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

圖2 巷道變形

此外,不同礦區(qū)對(duì)于巷道支護(hù)的要求也存在差異。比如,在較大規(guī)模的金屬礦山中,由于巷道長(zhǎng)度和數(shù)量都比較大,需要考慮施工周期和工效的問題。因此,在這種情況下,噴混凝土技術(shù)通常被優(yōu)先采用,因?yàn)樵摷夹g(shù)施工簡(jiǎn)便、效率高。

4 金屬礦山巷道支護(hù)的發(fā)展方向

4.1 巷道支護(hù)的智能化發(fā)展

隨著信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展,智能化巷道支護(hù)已成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。智能化巷道支護(hù)技術(shù)主要包括智能化監(jiān)測(cè)、智能化控制和智能化決策三個(gè)方面[37-38]。其中,智能化監(jiān)測(cè)主要采用傳感器、控制器和通信技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保巷道支護(hù)的安全可靠。智能化控制主要是利用控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道支護(hù)的自動(dòng)化控制,從而提高巷道支護(hù)的效率和精度。智能化決策主要是利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù),對(duì)巷道支護(hù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提供決策支持,優(yōu)化巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)和管理,降低巷道支護(hù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 綠色環(huán)保的支護(hù)技術(shù)

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高,綠色環(huán)保的巷道支護(hù)技術(shù)已成為未來的發(fā)展方向。綠色環(huán)保巷道支護(hù)技術(shù)主要包括選擇環(huán)保材料、合理使用材料、降低能耗、減少?gòu)U棄物等方面。其中,選擇環(huán)保材料是最基本的要求,應(yīng)優(yōu)先選擇可回收、可再利用、可降解或無毒無害的材料,減少對(duì)環(huán)境的污染。合理使用材料是指在施工過程中要合理控制材料的使用量,減少對(duì)資源的浪費(fèi)。降低能耗是指在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工過程中要盡可能地減少能源的消耗。減少?gòu)U棄物是指要盡可能地減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生和排放,減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)荷。

4.3 多方位協(xié)同的支護(hù)工程

巷道支護(hù)在礦山工程中需要與其他環(huán)節(jié)協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)多方位協(xié)同。多方位協(xié)同巷道支護(hù)主要包括與巷道設(shè)計(jì)、巷道開挖、巷道運(yùn)輸、礦山安全等環(huán)節(jié)的協(xié)同[39-40]。其中,與巷道設(shè)計(jì)的協(xié)同主要是要求巷道設(shè)計(jì)人員要了解巷道支護(hù)的工藝和技術(shù)特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)巷道支護(hù)工程;與巷道開發(fā)的協(xié)同主要是要求巷道開發(fā)人員要認(rèn)真執(zhí)行巷道支護(hù)方案,保障巷道支護(hù)的施工質(zhì)量;與巷道運(yùn)輸?shù)膮f(xié)同主要是要求巷道運(yùn)輸人員要注意巷道支護(hù)的安全,避免對(duì)巷道支護(hù)造成破壞;與礦山安全的協(xié)同主要是要求巷道支護(hù)工程要與礦山安全管理工作協(xié)同,共同維護(hù)礦工的生命安全。

5 結(jié)論與展望

本文基于對(duì)巷道支護(hù)研究現(xiàn)狀的調(diào)研和分析,總結(jié)了巷道支護(hù)的發(fā)展歷程、各種支護(hù)方法的特點(diǎn)及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用情況,并對(duì)未來的研究方向和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

隨著地下工程施工的不斷發(fā)展,巷道支護(hù)方法也在不斷創(chuàng)新和完善。傳統(tǒng)的支護(hù)方法如鋼筋混凝土襯砌和錨桿錨網(wǎng)支護(hù)在實(shí)踐中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,其穩(wěn)定性和可靠性得到了驗(yàn)證。此外,噴射混凝土支護(hù)和巖錨帷幕支護(hù)等新興支護(hù)技術(shù)也得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。這些新技術(shù)的出現(xiàn)使得巷道支護(hù)工作更加高效和安全,提高了地下工程的質(zhì)量。

然而,巷道支護(hù)領(lǐng)域仍存在一些挑戰(zhàn)和問題。首先,巷道施工中的地質(zhì)條件千差萬別,科學(xué)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)和方案選擇依然是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的問題。其次,巷道支護(hù)方法的研究還需要更加深入地將理論研究和工程實(shí)踐相結(jié)合,以探索更加高效和經(jīng)濟(jì)的施工技術(shù)。此外,巷道支護(hù)過程中的施工監(jiān)測(cè)和品質(zhì)控制也需要加強(qiáng),以確保支護(hù)效果的穩(wěn)定性和持久性。

展望未來,首先巷道支護(hù)可將新材料和新技術(shù),如納米材料、復(fù)合材料和先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)等,應(yīng)用于巷道支護(hù)領(lǐng)域,進(jìn)一步提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。其次,通過仿真模擬和數(shù)值計(jì)算等手段,可以更精確地預(yù)測(cè)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的行為和性能,為工程設(shè)計(jì)和施工提供可靠的依據(jù)。再次,加強(qiáng)對(duì)巷道支護(hù)施工過程的監(jiān)測(cè)和管理,建立起完善的質(zhì)量控制體系,可以提高施工效率和支護(hù)質(zhì)量。最后,巷道支護(hù)方法的可持續(xù)性和環(huán)境友好性也是未來研究的一個(gè)重要方向,通過減少材料的消耗和能源的浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)低碳和可持續(xù)發(fā)展。