煤巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展及展望

賈文峰

（中煤第一建設(shè)有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

在煤礦井下，為了滿(mǎn)足運(yùn)輸、通風(fēng)和礦工行走的需要，需要大量的巷道掘進(jìn)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2019 年中國(guó)井工煤礦產(chǎn)量占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的85%[1]。井工煤礦安全生產(chǎn)關(guān)系著全國(guó)的煤炭生產(chǎn)，其中井工煤礦的巷道穩(wěn)定性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

隨著礦井開(kāi)采深度變深、地質(zhì)條件復(fù)雜程度增加，巷道支護(hù)難度也在不斷增加[2]。在極其松軟破碎的巖石中掘進(jìn)巷道時(shí)，經(jīng)常發(fā)生頂板坍塌和兩幫剝落，圍巖變形對(duì)各種影響和擾動(dòng)（如風(fēng)、水、地震、采礦活動(dòng)等）十分敏感。在高產(chǎn)高效或甲烷排放高的工作面，綜采工作制已逐漸取代普采工作制，工作面數(shù)量以及掘進(jìn)速度大大增加，每個(gè)工作面的巷道基本在3 個(gè)以上。煤層聯(lián)合布置時(shí)，該區(qū)域大巷在長(zhǎng)期服務(wù)期間受多次采動(dòng)影響會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形和破壞[3]。

目前雖對(duì)支護(hù)做了大量的研究實(shí)踐，仍然缺乏指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員選擇和應(yīng)用合適的支護(hù)方法的文獻(xiàn)。因此本文對(duì)井下特殊地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)進(jìn)行了研究，對(duì)厚層軟弱頂板，破碎圍巖、地質(zhì)條件發(fā)育成熟，高深度大斷面巷道及相鄰巷道強(qiáng)烈擾動(dòng)等惡劣開(kāi)采條件下的巷道支護(hù)方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究和總結(jié)，以期為地下煤礦的巷道支護(hù)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 錨桿支護(hù)

1.1 錨桿支護(hù)理論

在懸吊、組合梁和加固拱等支護(hù)理論基礎(chǔ)上，人們提出了巷道周?chē)扑閹У睦碚摵蛧鷰r強(qiáng)度增強(qiáng)理論。這些理論的應(yīng)用主要包括以下三種作用模式：被動(dòng)懸掛巖石破碎帶，在錨固區(qū)形成一些如疊合梁、承壓拱、結(jié)合層等新的組合承載結(jié)構(gòu)體，提高錨固區(qū)力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 錨桿設(shè)計(jì)方法

康紅普等[4]根據(jù)巷道圍巖特性，提出了動(dòng)態(tài)、數(shù)字化的錨桿改良技術(shù)。這種技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：螺栓采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，非一次性成型；充分利用了各個(gè)時(shí)期收集的信息。初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)確定合適的參數(shù)，然后根據(jù)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行井下實(shí)踐，對(duì)巷道位移和錨桿荷載進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證或修改。

1.3 錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)

中國(guó)煤礦井工巷道支護(hù)一般采用錨噴支護(hù)[5]。在設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)時(shí)，不同構(gòu)件之間的相互配合對(duì)整體錨桿支護(hù)性能至關(guān)重要。板材與螺母，樹(shù)脂膠皮與螺栓，帶、網(wǎng)與螺栓螺紋鋼等強(qiáng)度性能相匹配。高預(yù)緊度、超高強(qiáng)度的螺栓應(yīng)配以高強(qiáng)度的拱形板、高強(qiáng)度螺母、高效的耐磨墊圈、高強(qiáng)度大覆蓋面積的W 形帶、高強(qiáng)度高剛度的金屬絲網(wǎng)。

2 型鋼支護(hù)

型鋼支護(hù)是除了錨桿外，中國(guó)煤礦巷道支護(hù)的另一種重要類(lèi)型，但型鋼支護(hù)不能提供主動(dòng)的沉降力來(lái)控制巷道周?chē)鷰r石的初始變形和破壞。

因此，型鋼支護(hù)僅適用于某些復(fù)雜情況下的巷道，如軟巖巷道和破碎巖巷道的錨固性能差等不能滿(mǎn)足錨固要求的巷道、巷道被含水軟化和膨脹巖石包圍的巷道、受高應(yīng)力和蠕變影響的深部巷道、遭受強(qiáng)烈采礦干擾和擠壓圍巖的巷道、近距離聯(lián)合布置時(shí)以采空區(qū)的底板為頂板煤層巷道等?？傮w來(lái)說(shuō)，在圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)育成熟、巷道擾動(dòng)嚴(yán)重等開(kāi)采條件惡劣的巷道中，型鋼支護(hù)仍然是首選。

2.1 剛性支護(hù)

剛性支護(hù)本身是不屈服的，或微屈服的。只有當(dāng)鋼架撞擊地面時(shí)，鋼架連接處的木塊才會(huì)變形，鋼架發(fā)生偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)有限位移，因此剛性支座適用于位移較小的巷道。

剛性拱有多種形式，如拱頂梁與兩梯形支腿支承、拱頂梁與兩圓弧支腿支承、拱頂梁與兩直支腿支承，分別適用于不同的巷道條件。封閉支座應(yīng)用不廣泛，適用于承受高應(yīng)力的主要巷道。

2.2 可屈服型鋼支護(hù)

可屈服型鋼支護(hù)按形狀可分為拱型、梯形型和圓形型三種。在中國(guó)煤礦中應(yīng)用最廣泛的可屈服型鋼支護(hù)是U 形鋼支護(hù)。當(dāng)受到強(qiáng)應(yīng)力時(shí)，U 形鋼自身的特性有助于重疊部分收縮。連接元件是使型鋼支護(hù)屈服的關(guān)鍵部件。鋼骨架在收縮時(shí)還能使自身保持一定的強(qiáng)度，可通過(guò)自身變形使圍巖釋放一定量的應(yīng)力，同時(shí)自身強(qiáng)度還能確保巷道圍巖穩(wěn)定[6]。

可屈服梯型支護(hù)與可屈服拱型支護(hù)相比，力學(xué)性能較差。但在一定條件下仍有以下優(yōu)點(diǎn)：頂板無(wú)損傷，斷面利用率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工運(yùn)輸方便。在水平應(yīng)力不高、巷道斷面較小的情況下，可采用屈服梯型支護(hù)。可屈服圓支座可以形成一個(gè)封閉環(huán)，既能提高其承載力，又能有效地抑制底鼓。

2.3 鋼支護(hù)的新發(fā)展

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型鋼支護(hù)形式由混凝土填充鋼管支撐，具有主動(dòng)沉降力的型鋼支護(hù)。

2.3.1 鋼管支護(hù)

填充混凝土鋼管支護(hù)由鋼管和混凝土制成。向鋼管中灌入混凝土，待混凝土凝固后增加整體強(qiáng)度，凝固的混凝土在鋼管中受力時(shí)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，大大提高了混凝土的強(qiáng)度，因此填充混凝土鋼管的承載能力大大提高[7]。

2.3.2 具有主動(dòng)沉降力的鋼支護(hù)

傳統(tǒng)的鋼支護(hù)都屬于被動(dòng)支承形式，不像預(yù)緊錨桿和錨索那樣能控制巖石的初始分離和破壞。因此，一些研究人員開(kāi)發(fā)了主動(dòng)鋼支護(hù)。該種支護(hù)形式有利于控制巷道初始變形。主動(dòng)鋼支護(hù)的耦合單元可以改善和平衡荷載分布不均勻的現(xiàn)象，改善U 形鋼支架的受力狀態(tài)，提高承載力[8]。

3 聯(lián)合支護(hù)

在復(fù)雜圍巖條件下，有時(shí)候單一的巷道支護(hù)形式在控制巷道變形時(shí)容易失效，而采用聯(lián)合支護(hù)的方式，可同時(shí)使用兩種或者更多中支護(hù)手段的支護(hù)方法，通過(guò)各支護(hù)技術(shù)的耦合作用則可以有效控制圍巖。

3.1 錨桿支護(hù)和注漿

當(dāng)巷道圍巖破碎時(shí)單采用錨桿支護(hù)很難達(dá)到良好的支護(hù)效果，通常與注漿相結(jié)合保持巷道的穩(wěn)定性[9]。錨桿與注漿相結(jié)合進(jìn)行巷道支護(hù)的方式有兩種：先對(duì)巷道破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，再采用錨桿和錨索支護(hù)；注漿與錨固同時(shí)進(jìn)行，采用管狀注漿螺栓，既可作為注漿管注漿，也可作為注漿錨固的螺栓，該種組合支護(hù)可有效解決巷道破碎圍巖的支護(hù)問(wèn)題[10]。

3.2 錨桿與鋼支架

錨桿與鋼支架的組合支護(hù)方式主要運(yùn)用在條件復(fù)雜的巷道支護(hù)[11]。該支護(hù)方式采用錨桿加工字鋼梁進(jìn)行巷道的二次支護(hù)，能夠有效解決大跨度斷面變形的問(wèn)題，減少巷道頂板下沉量。

4 結(jié)論和展望

雖然中國(guó)煤礦支護(hù)型以巖錨支護(hù)為主，但在圍巖軟弱破碎等條件惡劣情況下組合支護(hù)由于耦合單一支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，圍巖控制效果顯著。巷道圍巖復(fù)雜時(shí)可采用型鋼支護(hù)和注漿加固等方式。發(fā)展的新型鋼支護(hù)形式如混凝土填充鋼管支撐、具有主動(dòng)沉降力的型鋼支護(hù)，在破碎圍巖變形控制時(shí)不可或缺。雖然在巷道支護(hù)技術(shù)方面已經(jīng)取得了一定的成果和發(fā)展，但在今后的研究中仍有很多工作要做。