煤礦掘進巷道支護技術研究

李菁戈

（陽泉煤業集團有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，煤礦支護技術和設備發展迅速，各種支護技術和設備的應用水平也是參差不齊，所以應加強對煤礦支護新技術和新設備的研究，合理利用支護技術確保開采作業安全進行，并降低支護成本，提高企業的經濟效益。

1 煤礦支護技術分析

1.1 棚式支護技術

棚式支護屬于被動式支護的一種，采用的材料有木質材料、石質材料和金屬材料的支架支護，其中木質材料適用于淺部圍巖，適用范圍有限，且要求支護斷面的形狀與圍巖曲線一致才適用；而石質材料則比木質材料的抗壓性能好、安全系數高、變形量小，但是支護成本較高，適用于服役年限較長的煤礦巷道；采用金屬材料作支架支護曾經廣泛地應用在煤礦支護中，可分為剛性支架支護和可縮性支架支護兩種，但是由于其成本較高，受地質環境影響較大，且巖石表層和金屬支架之間不能較好的連接，目前應用較少[1]。

1.2 砌碴支護技術

砌碴支護也屬于被動支護方式的一種，主要分為混凝土砌塊和現澆混凝土兩種支護方式，這兩種方式都可以在生產廠家進行批量化的生產，在煤礦現場可以進行機械化安裝，所以安裝使用較為方便，且具有較高的抗壓性能和支護強度，但是此技術成本相對較高，適合巖層比較固定的煤礦巷道，而不適合大規模的推廣使用。

1.3 錨桿支護技術

錨桿支護技術屬于主動支護技術的一種，是目前應用頻率最高的煤礦支護技術，其支護作用主要有以下幾種：一是懸吊作用，就是將容易發生剝落的尾牙用錨桿懸掛在硬度較高的巖石上，利用錨桿的懸吊力來緩解一部分圍巖的重力，從而起到支護作用；二是減跨作用，采用錨桿降低煤礦巷道壓力拱的高度和跨度，增加其穩定性；三是組合梁作用，采用錨桿將組合板進行壓緊，并將各層板梁結構組成一個整體，使板梁所承受的擠壓力和拉伸力分散，從而提高板梁的抗彎強度和承載力；四是圍巖補強加固作用，由于巷道不同深度的圍巖所受的作用力是不同的，巷道附近的圍巖受到兩個方向的作用力，使得其抗壓強度降低而容易變形，錨桿支護的作用就是將其保持在三向受力的狀態下，起到加固作用，提高抗壓強度[2]。

1.4 復合支護技術

所謂復合支護技術就是將兩個或兩個以上的支護技術聯合使用的技術，在煤礦巷道的實際施工過程中，根據實際情況，選擇不同的組合支護方式，進行優勢互補，達到最佳支護效果。常用的復合支護技術有錨桿錨索支護技術，采用錨桿支護提高圍巖的抗壓能力和承載能力，而錨索則連接圍巖與錨桿支護的承載層，增加了承受應力的巖體面積，使支護效果增加。

1.5 聯合支護技術

與單獨支護相比，聯合支護如果運用得當可以取得更好的效果。經常使用的聯合技術是錨桿錨索的聯合支護技術。在聯合支護技術中，錨桿支護主要是利用錨桿等構件對圍巖進行一定程度上的支撐，來提高對圍巖應力等的承受能力。而錨索的作用則是將圍巖本身主要的承載層與由錨桿支護所衍生出的承載層相連接，借此增大了承受應力的巖體面積，使得支護效果更加明顯。錨桿錨索聯合支護技術可以較好地控制頂板，起到良好的支護作用。在支護的設計過程中，要結合實際情況和技術水平設計好相關參數，提高支護的效益。

2 現階段井下支護的問題與研究

2.1 現階段井下支護的問題

現階段井下支護多以錨桿支護為主，此種支護基本以懸吊理論為基礎，其主要是通過把巷道頂板較軟的巖層懸吊于巷道頂板較穩定的巖層，來增強較軟弱巖層實際的穩定性，進而來達到有效支護礦井巷道的目的，具體如圖1所示，這種支護一般較適用于相對較薄的煤層支護，而對于特厚煤層而言，現有支護材料和工藝無法有效達到穩定基巖，大幅降低其支護有效性。

圖1 懸吊理論支護示意圖

把預應力錨桿裝設于拱形巷道圍巖或在破裂圍巖整體出現位移使錨桿受到拉力作用時，便會有圓錐形分布壓應力作用于錨桿體兩端，若沿巷道四周來布設多個錨桿群，在錨桿間距很小的情況下，各錨桿產生的壓力圓錐體便會出現交錯重疊現象，這樣便可很好地串聯較松散、較破碎的圍巖，形成一自承載能力相對較強的整體結構，此結構也就是人們通常所說的組合拱，如圖2所示。該結構具有很強的支護能力，但也存在一些不足，比如缺少被加固巖體本身力學行為，同時不能起到深入連索圍巖支護的作用[3]。

圖2 組合拱支護示意圖

而對于一些常規支護工藝而言，其主要是借助組合梁理論來進行支護，這種支護主要是通過把層狀巷道頂板巖層視作以巷道兩幫為支點的疊合梁。并把錨桿裝設于巷道層狀頂板上，這樣頂板便會從疊合梁進一步變換為組合梁，使頂板巖層實際承載能力增強。其局限性是在于巷道縱向有裂縫時梁的連續性問題和梁的抗彎強度問題。

2.2 針對問題的引深研究

對于松動圈而言，人們可根據圍巖松動圈的大小，把圍巖松動圈進一步細分為小松動圈穩定圍巖Lp＝0～40 cm（噴射混凝土支護），中松動圈一般穩定圍巖Lp＝40～150 cm（懸吊）以及大松動圈不穩定圍巖Lp＞150 cm三個等級，在實際支護作業中，受巖石性質的影響以及地應力等多種因素的影響，依據支護經驗，一般不建議在多項假設的情況下，通過計算的方法來獲取圍巖松動圈的值。

圖3為煤礦巷道錨固前后的應力應變曲線圖，對于以懸吊理論為基礎的支護工藝基本只考慮到了拉伸這個要素，以錨固區內形成梁、層、拱的結構來應對煤巖應力的變化，其支護條件具有較高的局限性，無法滿足煤礦安全高效的要求，所以改善錨固圍巖力學性能和應力狀態是當務之急。

圖3 錨固前后應力應變曲線

2.3 現階段錨桿支護弊端

現階段普遍認為錨桿長度增加，有效壓應力區范圍擴大。而通過一些實驗數據和現場支護情況可以得出隨著錨桿長度的增加，不僅其中上部的壓應力會減小，而且相鄰兩錨桿間中部圍巖的壓應力也會減小。隨著錨桿長度的增加，預應力作用會逐漸不明顯。同時錨桿間排距大小也對支撐產生的應力場有著不小的影響。對此，人們為得到更好的支護效果，大多都在想方設法地縮短錨桿長度與間排距，這些也一直讓煤礦生產陷入“高投入、低效率”的泥潭而不能自拔。

3 高預應力強力支護技術

3.1 理論基礎

通過科學、合理的布設錨桿，可有效控制錨固區圍巖產生的滑動、離層變形以及圍巖開裂等破壞，讓圍巖盡量為受壓狀態，以更好地抑制圍巖產生的彎曲變形及破壞，確保錨固區圍巖盡量完整。借助錨桿的有效支護作用，可在錨固區構建一具有較大剛度的承載結構，進一步改善圍巖內部實際應力分布情況，以更好地阻止外巖層出現離層現象。錨桿支護系統具有足夠延伸率，使圍巖連續變形釋放。綜合理論分析、數值模擬以及日常井下試驗，人們得出提升錨桿支護系統的實際支護剛度十分重要。

3.2 具體措施

依據實際支護經驗，人們發現對于錨桿支護剛度的提升，可從下列兩方面著手：第一，及時支護，并為錨桿施加足夠大的高預應力，同時讓這部分高預應力實現科學、合理的擴散；第二，增加錨固長度，最好進行全長錨固，提升錨桿對巷道圍巖離層及錯動的敏感性，以第一時間及時抑制巷道的各種變形。在錨桿支護作業中，錨桿預應力的大小會直接影響到實際支護效果，在進行錨桿支護設計作業時，應重點做好錨桿預應力的設計工作。同時預應力的擴散也十分重要，若用單根錨桿進行支護作業，其實際作用范圍相對較小，在實際支護作業中，應借助托板以及鋼帶等部件，把錨桿支護的預應力擴散到支護區四周的圍巖。對于深部巷道采用的高預應力強力錨桿支護作業而言，在實際施工中，應盡量通過一次支護來有效控制圍巖變形，最好不要進行二次支護。

3.3 現場工業性試驗

一礦81303回風巷進行了220 m區段試驗，主要支護材料及工藝變更為，頂部由280型W鋼帶替220型，鋼帶上全部施工錨桿，錨桿屈服強度由400號、500號代替335號Φ20～Φ22 mm直徑的左旋螺紋鋼式錨桿，鋼帶與鋼帶進行空頂距施工，300×300×16高強度可調心托板配Φ17.8-1×7-1860 MPa或Φ21.6-1×7-1770MPa及相對錨具進行二三邁步施工，幫部采用150×150×10的高強度可調心托板配套錨桿，屈服強度由400號、500號代替335號Φ20～Φ22 mm直徑的左旋螺紋鋼式錨桿。該方案降低了原來排見錨索的高成本投入，經過五個月動壓觀測，發現巷道頂板及兩幫變形得到了有效控制，巷道變形量比較之前相對減小，證實了新高強支護理論是煤礦安全高效的新理論、新基礎。

4 結語

在煤礦巷道的支護作業時，應根據煤層深度和地質條件選擇合適的支護技術和設備，充分考慮安全性、成本、適應性以及對周圍環境的影響等因素，在保證巷道安全施工的前提下，滿足開采深度不斷加深的安全性要求，還應盡量降低后期的檢修維護的成本，以提高企業經濟效益，促進煤礦支護技術的發展和進步。