煤巷支护技术发展及展望.pdf

Science and Technology Innovation┃科技与创新 2020 年 第 16 期 73 文章编号2095－6835（2020）16－0073－02 煤巷支护技术发展及展望 贾文峰 （中煤第一建设有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000） 摘要目前，煤炭资源的开发主要采用地下开采形式，需进行大量地下巷道的开掘，而保证巷道稳定性对矿井 安全生产至关重要。对井下不同类型的围岩变形巷道的支护形式进行了介绍。煤矿实践表明，目前虽然中国煤矿 支护型以岩锚支护为主，但在围岩软弱破碎等条件恶劣情况下，组合支护由于耦合单一支护的优势，围岩控制效 果更佳。在特定开采条件下，型钢支护、注浆加固等也不可或缺。总体来说，多种支护手段的协同发展为地下煤 矿施工开采提供了安全可靠的巷道控制途径，有力促进了煤矿安全生产。 关键词煤矿开采；煤巷支护；岩锚支护；安全生产 中图分类号TD353文献标识码ADOI10.15913/ki.kjycx.2020.16.031 在煤矿井下，为了满足运输、通风和矿工行走的需要， 需要大量的巷道掘进。根据相关统计，2019 年中国井工煤 矿产量占全国煤炭产量的 85[1]。井工煤矿安全生产关系着 全国的煤炭生产， 其中井工煤矿的巷道稳定性对煤矿安全生 产至关重要。 随着矿井开采深度变深、地质条件复杂程度增加，巷道 支护难度也在不断增加[2]。在极其松软破碎的岩石中掘进巷 道时，经常发生顶板坍塌和两帮剥落，围岩变形对各种影响 和扰动（如风、水、地震、采矿活动等）十分敏感。在高产 高效或甲烷排放高的工作面， 综采工作制已逐渐取代普采工 作制，工作面数量以及掘进速度大大增加，每个工作面的巷 道基本在 3 个以上。煤层联合布置时，该区域大巷在长期服 务期间受多次采动影响会发生严重变形和破坏[3]。 目前虽对支护做了大量的研究实践， 仍然缺乏指导现场 工程技术人员选择和应用合适的支护方法的文献。 因此本文 对井下特殊地质条件下的巷道支护进行了研究， 对厚层软弱 顶板，破碎围岩、地质条件发育成熟，高深度大断面巷道及 相邻巷道强烈扰动等恶劣开采条件下的巷道支护方法进行 了系统分析研究和总结， 以期为地下煤矿的巷道支护提供指 导和借鉴。 1锚杆支护 1.1锚杆支护理论 在悬吊、组合梁和加固拱等支护理论基础上，人们提出 了巷道周围破碎带的理论和围岩强度增强理论。 这些理论的 应用主要包括以下三种作用模式被动悬挂岩石破碎带，在 锚固区形成一些如叠合梁、承压拱、结合层等新的组合承载 结构体，提高锚固区力学性能和应力状态。 1.2锚杆设计方法 康红普等[4]根据巷道围岩特性，提出了动态、数字化的 锚杆改良技术。这种技术有两个明显的特点螺栓采用动态 设计，非一次性成型；充分利用了各个时期收集的信息。初 始设计采用数值模拟和经验法则来确定合适的参数， 然后根 据初始设计进行井下实践， 对巷道位移和锚杆荷载进行详细 监测，并根据监测数据对初始设计进行验证或修改。 1.3锚杆支护结构 中国煤矿井工巷道支护一般采用锚喷支护[5]。在设计锚 杆支护系统时， 不同构件之间的相互配合对整体锚杆支护性 能至关重要。板材与螺母，树脂胶皮与螺栓，带、网与螺栓 螺纹钢等强度性能相匹配。高预紧度、超高强度的螺栓应配 以高强度的拱形板、高强度螺母、高效的耐磨垫圈、高强度 大覆盖面积的 W 形带、高强度高刚度的金属丝网。 2型钢支护 型钢支护是除了锚杆外， 中国煤矿巷道支护的另一种重 要类型， 但型钢支护不能提供主动的沉降力来控制巷道周围 岩石的初始变形和破坏。 因此，型钢支护仅适用于某些复杂情况下的巷道，如软 岩巷道和破碎岩巷道的锚固性能差等不能满足锚固要求的 巷道、巷道被含水软化和膨胀岩石包围的巷道、受高应力和 蠕变影响的深部巷道、遭受强烈采矿干扰和挤压围岩的巷 道、近距离联合布置时以采空区的底板为顶板煤层巷道等。 总体来说，在围岩结构发育成熟、巷道扰动严重等开采条件 恶劣的巷道中，型钢支护仍然是首选。 2.1刚性支护 刚性支护本身是不屈服的，或微屈服的。只有当钢架撞 击地面时，钢架连接处的木块才会变形，钢架发生偏转，出 现有限位移，因此刚性支座适用于位移较小的巷道。 刚性拱有多种形式，如拱顶梁与两梯形支腿支承、拱顶 梁与两圆弧支腿支承、拱顶梁与两直支腿支承，分别适用于 科技与创新┃Science and Technology Innovation 74 2020 年 第 16 期 不同的巷道条件。封闭支座应用不广泛，适用于承受高应力 的主要巷道。 2.2可屈服型钢支护 可屈服型钢支护按形状可分为拱型、 梯形型和圆形型三 种。 在中国煤矿中应用最广泛的可屈服型钢支护是 U 形钢支 护。当受到强应力时，U 形钢自身的特性有助于重叠部分收 缩。连接元件是使型钢支护屈服的关键部件。钢骨架在收缩 时还能使自身保持一定的强度， 可通过自身变形使围岩释放 一定量的应力，同时自身强度还能确保巷道围岩稳定[6]。 可屈服梯型支护与可屈服拱型支护相比，力学性能较 差。但在一定条件下仍有以下优点顶板无损伤，断面利用 率高，结构简单，加工运输方便。在水平应力不高、巷道 断面较小的情况下，可采用屈服梯型支护。可屈服圆支座 可以形成一个封闭环，既能提高其承载力，又能有效地抑制 底鼓。 2.3钢支护的新发展 近年来发展起来的新型钢支护形式由混凝土填充钢管 支撑，具有主动沉降力的型钢支护。 2.3.1钢管支护 填充混凝土钢管支护由钢管和混凝土制成。 向钢管中灌 入混凝土，待混凝土凝固后增加整体强度，凝固的混凝土在 钢管中受力时处于三向应力状态，大大提高了混凝土的强 度，因此填充混凝土钢管的承载能力大大提高[7]。 2.3.2具有主动沉降力的钢支护 传统的钢支护都属于被动支承形式， 不像预紧锚杆和锚 索那样能控制岩石的初始分离和破坏。因此，一些研究人员 开发了主动钢支护。该种支护形式有利于控制巷道初始变 形。 主动钢支护的耦合单元可以改善和平衡荷载分布不均匀 的现象，改善 U 形钢支架的受力状态，提高承载力[8]。 3联合支护 在复杂围岩条件下， 有时候单一的巷道支护形式在控制 巷道变形时容易失效，而采用联合支护的方式，可同时使用 两种或者更多中支护手段的支护方法， 通过各支护技术的耦 合作用则可以有效控制围岩。 3.1锚杆支护和注浆 当巷道围岩破碎时单采用锚杆支护很难达到良好的支 护效果，通常与注浆相结合保持巷道的稳定性[9]。锚杆与注 浆相结合进行巷道支护的方式有两种 先对巷道破碎围岩进 行注浆加固，再采用锚杆和锚索支护；注浆与锚固同时进 行，采用管状注浆螺栓，既可作为注浆管注浆，也可作为注 浆锚固的螺栓， 该种组合支护可有效解决巷道破碎围岩的支 护问题[10]。 3.2锚杆与钢支架 锚杆与钢支架的组合支护方式主要运用在条件复杂的 巷道支护[11]。 该支护方式采用锚杆加工字钢梁进行巷道的二 次支护，能够有效解决大跨度断面变形的问题，减少巷道顶 板下沉量。 4结论和展望 虽然中国煤矿支护型以岩锚支护为主， 但在围岩软弱破 碎等条件恶劣情况下组合支护由于耦合单一支护的优势， 围 岩控制效果显著。 巷道围岩复杂时可采用型钢支护和注浆加 固等方式。发展的新型钢支护形式如混凝土填充钢管支撑、 具有主动沉降力的型钢支护， 在破碎围岩变形控制时不可或 缺。虽然在巷道支护技术方面已经取得了一定的成果和发 展，但在今后的研究中仍有很多工作要做。 参考文献 ［1］侯朝炯.深部巷道围岩控制的关键技术研究［J］.中国矿 业大学学报，2017，46（5）970-978. ［2］陆士良，汤摇雷，杨新安.锚杆锚固力与锚固技术［M］ . 北京煤炭工业出版社，1998. ［3］何满潮.中国煤矿锚杆支护理论与实践［M］.北京科 学出版社，2004. ［4］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］. 北京煤炭工业出版社，2007. ［5］韩斌，王贤来，文有道.不良岩体巷道的湿喷混凝土支 护技术［J］.中南大学学报（自然科学版），2012，41 （6）2381-2384. ［6］谢文兵，荆升国，王涛，等.U 型钢支架结构稳定性及 其控制技术 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2010 （Suppl 2） 3743-3748. ［7］李学彬，杨仁树，高延法，等.大断面软岩斜井高强度 钢管混凝土支架支护技术 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （10） 1742-1748. ［8］关成立.基于主动预紧圆形竖井拼装式钢结构支护技术 研究［D］.北京中国地质大学，2019. ［9］刘存智.高应力破碎软岩巷道注浆机理与围岩控制技术 研究［J］.山东煤炭科技，2013（4）103-104. ［10］孔文，杨海峰，颜丙乾.软岩巷道锚网钢管混凝土复合 支护工艺应用［J］.山东煤炭科技，2020（1）9-10， 12. ［11］原贵阳，孙志勇，李建忠.锚杆支护组合构件对钢筋网 加固作用试验研究［J］.煤炭学报，2020，45（2） 556-567. 〔编辑严丽琴〕