浅谈煤矿支护技术发展与高强支护方式.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０３􀆽 ３０ 作者简介白旭飞１９７７ － ꎬ男ꎬ山西长治人ꎬ助理工程师ꎬ从事煤矿生产技术管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ０３７ 浅谈煤矿支护技术发展与高强支护方式 白旭飞 潞安集团 潞阳煤炭投资经营管理公司ꎬ山西 寿阳 ０４５４００ 摘 要随着我国煤炭工业的发展ꎬ煤矿井下巷道支护方式发生了深刻变化ꎬ已由传统支护向高强支护、被 动支护向主动支护转变ꎮ 目前ꎬ高强支护已经成为煤矿深部开采时普遍应用的巷道支护方式ꎮ 关键词煤矿ꎻ深部巷道ꎻ高强支护 中图分类号ＴＤ３５ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００７􀆽 ００８９􀆽 ０２ 煤炭是我国经济及社会发展的重要支柱ꎬ建国 初期能源大省山西的煤炭产量仅仅为 ２６７ 万 ｔꎬ随着 国民经济的发展ꎬ山西的煤炭产能也在不断提高ꎬ到 １９７８ 年全省的原煤生产能力达到了 ９ ８２５ 万 ｔꎬ是 １９４９ 年 ３６. ８ 倍ꎮ 随着我国改革开放的深入ꎬ全省 的煤炭产能于２０１８ 年达到了９ 亿 ｔ[１]ꎮ 煤矿产能的 提高离不开装备技术的提高和井下巷道支护方式的 变革ꎬ在整个煤炭工业发展过程中ꎬ煤矿井下巷道支 护也经历了从传统支护方式向高强支护方式应用的 蜕变ꎮ １ 巷道传统支护方式 在 １９７８ 年前的一个相当长时期内ꎬ我国煤矿的 煤炭生产在埋藏比较浅的煤层条件下进行ꎬ由于大 多数煤矿采用原始的非机械方式开采ꎬ井下巷道通 常断面小、岩层矿山压力不大ꎬ所以巷道支护采用的 是传统方式ꎬ例如棚式支护、砌碹支护、单体液压支 柱支护、摩擦支柱支护ꎬ后来逐步发展成混凝土棚腿 棚梁支护、工字钢支护、喷射混凝土支护ꎮ 由于这一 时期矿井的生产能力与生产强度不大ꎬ井下巷道的 断面又比较小ꎬ这几种传统的支护方式基本满足了 对巷道支护强度的要求ꎮ ２ 高强支护方式应用的必要性及基本原理 高强支护方式是指使用锚杆、锚索、钢筋网、钢 带以及喷射混凝土等支护方式中的一种或多种ꎬ控 制井下巷道顶板及两帮变形的支护方式ꎮ 在当前煤 炭开采深度大、强度高的条件下ꎬ高强支护方式体现 出了其安全、高效、成本低、效果好的特点[２ －７]ꎮ ２. １ 应用高强支护方式的必要性 改革开放 ４０ 年多来ꎬ随着我国国民经济的快速 发展ꎬ煤矿井下工作面生产能力越来越大ꎬ浅部的煤 炭资源存储已所剩无几ꎬ开采深部煤炭已成必然ꎮ 由于国民经济对煤炭资源需求的不断增加ꎬ促使煤 炭生产装备越来越趋向重型化ꎬ随之井下巷道与工 作面切眼的断面也显著加大ꎬ加之开采深度增加后 巷道顶部岩层压力的增大ꎬ采用传统的支护方式已 不能满足深部大断面巷道支护的要求ꎮ 为了保持开 掘与生产过程中巷道稳固ꎬ必须根据现有条件选择 适当的高强支护方式来稳固巷道ꎮ ２. ２ 高强支护的基本理论 在煤矿井下开采深部煤炭时ꎬ由于巷道施工环 境相比浅部更加复杂ꎬ煤层盖山厚度的增大ꎬ使巷道 顶部岩层受到的压力大大增强ꎮ 因而在开掘深部巷 道时ꎬ要依据地质部门提供的勘测数据ꎬ对松动圈的 作用、顶板岩层状况进行分析ꎬ制定出合理的高强支 护技术方案ꎮ 同时ꎬ在施工过程中要注意巷道的矿 压观测ꎬ及时处置因巷道支护力不足造成的顶板或 岩层移动、变形情况ꎮ 高强支护依据的是锚杆支护的悬吊理论、组合 梁理论、组合拱原理ꎮ 悬吊理论认为ꎬ锚杆支护的作 用是将巷道揭露的顶板较软弱的层状岩层悬吊在上 部稳固的岩层上ꎬ防止直接顶板与老顶发生离层、脱 落ꎮ 组合梁理论认为ꎬ使用锚杆将巷道顶板中存在 的若干层状顶板ꎬ“装订”成一个以巷道两帮为支点 的整体组合梁ꎬ可防止岩石沿层面滑动或出现离层ꎮ 组合拱原理认为ꎬ在拱形巷道围岩破裂区安装 预应力锚杆ꎬ其杆体两端将形成圆锥形分布的压应 力ꎬ如果锚杆间距足够小、锚杆间的压应力锥体相互 交错ꎬ将使巷道周围的岩层形成一种连续的组合拱ꎬ 不仅可承受上部岩石的径向载荷ꎬ而且对岩层的支 承还具有补强作用ꎮ 总之ꎬ以锚杆支护为轴心的高强支护系统ꎬ具备 ９８ 问问题题探探讨讨 总第 ２５１ 期 强度大、刚度大、抗剪阻力大等特性ꎬ可以解决深部 开采条件下直接顶与老顶发生离层或脱落的问题ꎮ ３ 高强支护方式的分类 如上所述ꎬ相较于传统支护而言ꎬ高强支护方式 是将支护装置作为预应力负载梁ꎬ抵消巷道顶部垂 直应力的作用ꎬ减少巷道围岩可能产生的变形ꎬ提高 巷道开掘的稳定性和安全性ꎮ 随着井下开采深度的 普遍增加ꎬ以锚杆支护、光爆锚喷网支护、联合支护 为主的多种高强支护方式ꎬ在煤矿深部巷道支护中 得到了广泛的应用ꎮ ３. １ 锚杆支护 锚杆是当前一个阶段巷道支护的最基本构成要 件ꎬ凭借其优越的综合性能广泛应用于煤矿井下的 巷道支护中ꎮ 在巷道施工过程中ꎬ锚杆在提高破碎 岩体稳定性方面起着重要作用ꎮ 基于稳固巷道的顶 板或岩层ꎬ锚杆支护是通过将锚杆深入围岩深处ꎬ将 不稳定的围岩岩层与岩石紧固在一起ꎬ形成组合梁、 组合拱ꎬ加固巷道结构并提升巷道的稳定性ꎬ避免和 消除围岩发生坍塌、滑移ꎮ 在巷道所有支护锚杆的 共同作用下ꎬ通过挤压、粘结围岩形成一个承载环ꎬ 控制了围岩可能发生的后续变形ꎬ使巷道周围一定 深度的围岩得到稳固ꎮ 锚杆支护的配套形式有 锚喷支护、锚网支护、 锚网喷支护、锚梁支护、锚杆钢带支护等等ꎮ 锚杆支护的优点是成本低ꎬ工艺简单ꎬ断面支 护空顶距小ꎬ非常适应于一次成巷和快速掘进施工ꎮ ３. ２ 光爆锚喷网支护 光爆是指光面爆破ꎬ是一种利用炸药合理控制 爆破的技术ꎬ爆破后巷道成型规格、平整ꎬ与设计断 面的轮廓尺寸非常接近ꎬ岩壁没有明显的爆震龟裂 现象ꎬ巷道围岩的稳定性与自承能力强ꎬ有利于确保 围岩的整体性ꎮ 锚喷网支护方式就是先采用锚杆在巷道的顶拱 和边墙固定钢筋网ꎬ而后再向其上喷射一定厚度混 凝土的支护方式ꎮ 单独采用锚杆或喷射混凝土ꎬ一 般只用于巷道的局部支护ꎬ锚喷网支护用于巷道的 顶拱和边墙的支护ꎬ既充分发挥了锚杆的作用ꎬ又发 挥了喷射混凝土的作用ꎮ 同时ꎬ钢筋网不仅相当于 增大了锚杆托板的面积ꎬ且喷层还使破碎圈的表面 趋于完整ꎬ有利于增大围岩的抗弯、抗剪能力ꎬ使锚 喷网支护巷道具备较高的韧性和较大的允许变形 量ꎮ 光爆锚喷网支护方式变传统的被动支护为主动 支护ꎬ有利于保持围岩的完整性、稳定性ꎬ该支护方 式“以护为主、以支为辅”ꎬ强化了对破碎圈的加固 而不是对破碎圈的支护ꎬ非常适用于对破碎带不稳 定岩石的支护ꎮ ３. ３ 联合支护 煤矿浅部开采结束后ꎬ井下深部巷道受浅部开 采的影响ꎬ存在地质结构复杂、稳定性差、底板荷载 性能弱等现象ꎬ采用单一形式的支护技术ꎬ不仅难以 发挥出期望的支护效果ꎬ而且存在安全隐患ꎮ 当前ꎬ 在井下深部巷道施工中应用联合支护ꎬ已经成为常 见的设计方案ꎮ 联合支护包括高预拉力锚杆 ＋ 超 高强 Ｕ 型钢可缩性支架ꎻ Ｕ 型钢支护 ＋ 锚网支护ꎻ 混凝土支护 ＋ 锚杆支护ꎻ锚网带支护 ＋ 锚索等多种 组合方式ꎬ其对于井下深部巷道不同条件下的支护 作用非常明显ꎮ 例如ꎬ为了防止井下巷道的顶板或岩层受周边 采动影响ꎬ发生岩石的流动、移动、变形情况ꎬ一般采 用高预拉力锚杆与超高强 Ｕ 型钢可缩性支架构成 的联合支护方式ꎮ 在该联合支护方式中ꎬ高预拉力 锚杆以其具有的高强度、高刚度、高预应力及高可靠 性ꎬ发挥锚杆稳固岩层的超强作用ꎮ 超高强 Ｕ 型钢 可缩性支架ꎬ以大承载、高阻缩、恒阻滑的工作状态 确保了围岩的稳定ꎮ 联合支护方式改变了锚固体的 力学特性ꎬ提高了巷道顶板或岩层的锚固强度ꎬ促使 围岩从二向应力状态向三向应力状态转变ꎬ进一步 强化了围岩的承载结构ꎬ补强了岩体弱化区的不均 衡性ꎬ并可使软弱夹层顶板的离层得到控制ꎮ 高强支护方式充分发挥了巷道围岩的自承能 力ꎬ给围岩提供了较高的预应力ꎬ可使巷道围岩实现 主动支护ꎬ已经成为煤矿深部开采时普遍应用的巷 道支护方式ꎮ 参考文献 [１] 王丽丽ꎬ李 仑ꎬ牛 祥. 煤炭历史坐标ꎬ闪亮奋斗征 程[Ｎ]. 中国煤炭报ꎬ２０１９ －８ －１５３. [２] 彭永良. 采煤掘进中高强支护技术的应用[Ｊ]. 能源与 节能ꎬ２０１５１２３０ －３１. [３] 赵金伍. 高强支护在采煤掘进过程中的技术应用[Ｊ]. 黑龙江科技信息ꎬ２０１４１１２３ －１２５. [４] 刘宗国. 浅析高强支护在采煤掘进过程中的应用[Ｊ]. 黑龙江科技信息ꎬ２０１５２０１１５ －１１８. [５] 郭详智ꎬ李殿臣. 高强度支护快速掘进工艺探讨与实 践[Ｊ]. 河北煤炭ꎬ２００６２１０ －１１. [６] 刘喜春. 我国特大型煤矿的煤巷掘进及支护特点[Ｊ]. 煤矿现代化ꎬ２０１０３１７ －１８. [７] 孙力翔. 浅谈我国特大型煤矿的采掘运特点[Ｊ]. 煤矿 开采ꎬ２０１０ꎬ１５２１ －３. [责任编辑常丽芳] ０９ ２０２０ 年 ７ 月 白旭飞浅谈煤矿支护技术发展与高强支护方式 第 ２９ 卷第 ７ 期