煤礦掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)研究

李菁戈

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

近年來(lái)，煤礦支護(hù)技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，各種支護(hù)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用水平也是參差不齊，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)煤礦支護(hù)新技術(shù)和新設(shè)備的研究，合理利用支護(hù)技術(shù)確保開(kāi)采作業(yè)安全進(jìn)行，并降低支護(hù)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 煤礦支護(hù)技術(shù)分析

1.1 棚式支護(hù)技術(shù)

棚式支護(hù)屬于被動(dòng)式支護(hù)的一種，采用的材料有木質(zhì)材料、石質(zhì)材料和金屬材料的支架支護(hù)，其中木質(zhì)材料適用于淺部圍巖，適用范圍有限，且要求支護(hù)斷面的形狀與圍巖曲線(xiàn)一致才適用；而石質(zhì)材料則比木質(zhì)材料的抗壓性能好、安全系數(shù)高、變形量小，但是支護(hù)成本較高，適用于服役年限較長(zhǎng)的煤礦巷道；采用金屬材料作支架支護(hù)曾經(jīng)廣泛地應(yīng)用在煤礦支護(hù)中，可分為剛性支架支護(hù)和可縮性支架支護(hù)兩種，但是由于其成本較高，受地質(zhì)環(huán)境影響較大，且?guī)r石表層和金屬支架之間不能較好的連接，目前應(yīng)用較少[1]。

1.2 砌碴支護(hù)技術(shù)

砌碴支護(hù)也屬于被動(dòng)支護(hù)方式的一種，主要分為混凝土砌塊和現(xiàn)澆混凝土兩種支護(hù)方式，這兩種方式都可以在生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行批量化的生產(chǎn)，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行機(jī)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(hù)強(qiáng)度，但是此技術(shù)成本相對(duì)較高，適合巖層比較固定的煤礦巷道，而不適合大規(guī)模的推廣使用。

1.3 錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿支護(hù)技術(shù)屬于主動(dòng)支護(hù)技術(shù)的一種，是目前應(yīng)用頻率最高的煤礦支護(hù)技術(shù)，其支護(hù)作用主要有以下幾種：一是懸吊作用，就是將容易發(fā)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(lái)緩解一部分圍巖的重力，從而起到支護(hù)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(wěn)定性；三是組合梁作用，采用錨桿將組合板進(jìn)行壓緊，并將各層板梁結(jié)構(gòu)組成一個(gè)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(qiáng)度和承載力；四是圍巖補(bǔ)強(qiáng)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(gè)方向的作用力，使得其抗壓強(qiáng)度降低而容易變形，錨桿支護(hù)的作用就是將其保持在三向受力的狀態(tài)下，起到加固作用，提高抗壓強(qiáng)度[2]。

1.4 復(fù)合支護(hù)技術(shù)

所謂復(fù)合支護(hù)技術(shù)就是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的支護(hù)技術(shù)聯(lián)合使用的技術(shù)，在煤礦巷道的實(shí)際施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同的組合支護(hù)方式，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到最佳支護(hù)效果。常用的復(fù)合支護(hù)技術(shù)有錨桿錨索支護(hù)技術(shù)，采用錨桿支護(hù)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(hù)的承載層，增加了承受應(yīng)力的巖體面積，使支護(hù)效果增加。

1.5 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

與單獨(dú)支護(hù)相比，聯(lián)合支護(hù)如果運(yùn)用得當(dāng)可以取得更好的效果。經(jīng)常使用的聯(lián)合技術(shù)是錨桿錨索的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。在聯(lián)合支護(hù)技術(shù)中，錨桿支護(hù)主要是利用錨桿等構(gòu)件對(duì)圍巖進(jìn)行一定程度上的支撐，來(lái)提高對(duì)圍巖應(yīng)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(hù)所衍生出的承載層相連接，借此增大了承受應(yīng)力的巖體面積，使得支護(hù)效果更加明顯。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以較好地控制頂板，起到良好的支護(hù)作用。在支護(hù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合實(shí)際情況和技術(shù)水平設(shè)計(jì)好相關(guān)參數(shù)，提高支護(hù)的效益。

2 現(xiàn)階段井下支護(hù)的問(wèn)題與研究

2.1 現(xiàn)階段井下支護(hù)的問(wèn)題

現(xiàn)階段井下支護(hù)多以錨桿支護(hù)為主，此種支護(hù)基本以懸吊理論為基礎(chǔ)，其主要是通過(guò)把巷道頂板較軟的巖層懸吊于巷道頂板較穩(wěn)定的巖層，來(lái)增強(qiáng)較軟弱巖層實(shí)際的穩(wěn)定性，進(jìn)而來(lái)達(dá)到有效支護(hù)礦井巷道的目的，具體如圖1所示，這種支護(hù)一般較適用于相對(duì)較薄的煤層支護(hù)，而對(duì)于特厚煤層而言，現(xiàn)有支護(hù)材料和工藝無(wú)法有效達(dá)到穩(wěn)定基巖，大幅降低其支護(hù)有效性。

圖1 懸吊理論支護(hù)示意圖

把預(yù)應(yīng)力錨桿裝設(shè)于拱形巷道圍巖或在破裂圍巖整體出現(xiàn)位移使錨桿受到拉力作用時(shí)，便會(huì)有圓錐形分布?jí)簯?yīng)力作用于錨桿體兩端，若沿巷道四周來(lái)布設(shè)多個(gè)錨桿群，在錨桿間距很小的情況下，各錨桿產(chǎn)生的壓力圓錐體便會(huì)出現(xiàn)交錯(cuò)重疊現(xiàn)象，這樣便可很好地串聯(lián)較松散、較破碎的圍巖，形成一自承載能力相對(duì)較強(qiáng)的整體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)也就是人們通常所說(shuō)的組合拱，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的支護(hù)能力，但也存在一些不足，比如缺少被加固巖體本身力學(xué)行為，同時(shí)不能起到深入連索圍巖支護(hù)的作用[3]。

圖2 組合拱支護(hù)示意圖

而對(duì)于一些常規(guī)支護(hù)工藝而言，其主要是借助組合梁理論來(lái)進(jìn)行支護(hù)，這種支護(hù)主要是通過(guò)把層狀巷道頂板巖層視作以巷道兩幫為支點(diǎn)的疊合梁。并把錨桿裝設(shè)于巷道層狀頂板上，這樣頂板便會(huì)從疊合梁進(jìn)一步變換為組合梁，使頂板巖層實(shí)際承載能力增強(qiáng)。其局限性是在于巷道縱向有裂縫時(shí)梁的連續(xù)性問(wèn)題和梁的抗彎強(qiáng)度問(wèn)題。

2.2 針對(duì)問(wèn)題的引深研究

對(duì)于松動(dòng)圈而言，人們可根據(jù)圍巖松動(dòng)圈的大小，把圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步細(xì)分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖Lp＝0～40 cm（噴射混凝土支護(hù)），中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖Lp＝40～150 cm（懸吊）以及大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖Lp＞150 cm三個(gè)等級(jí)，在實(shí)際支護(hù)作業(yè)中，受巖石性質(zhì)的影響以及地應(yīng)力等多種因素的影響，依據(jù)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，一般不建議在多項(xiàng)假設(shè)的情況下，通過(guò)計(jì)算的方法來(lái)獲取圍巖松動(dòng)圈的值。

圖3為煤礦巷道錨固前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖，對(duì)于以懸吊理論為基礎(chǔ)的支護(hù)工藝基本只考慮到了拉伸這個(gè)要素，以錨固區(qū)內(nèi)形成梁、層、拱的結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)煤巖應(yīng)力的變化，其支護(hù)條件具有較高的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足煤礦安全高效的要求，所以改善錨固圍巖力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)是當(dāng)務(wù)之急。

圖3 錨固前后應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3 現(xiàn)階段錨桿支護(hù)弊端

現(xiàn)階段普遍認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度增加，有效壓應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大。而通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況可以得出隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，不僅其中上部的壓應(yīng)力會(huì)減小，而且相鄰兩錨桿間中部圍巖的壓應(yīng)力也會(huì)減小。隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，預(yù)應(yīng)力作用會(huì)逐漸不明顯。同時(shí)錨桿間排距大小也對(duì)支撐產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)有著不小的影響。對(duì)此，人們?yōu)榈玫礁玫闹ёo(hù)效果，大多都在想方設(shè)法地縮短錨桿長(zhǎng)度與間排距，這些也一直讓煤礦生產(chǎn)陷入“高投入、低效率”的泥潭而不能自拔。

3 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)

3.1 理論基礎(chǔ)

通過(guò)科學(xué)、合理的布設(shè)錨桿，可有效控制錨固區(qū)圍巖產(chǎn)生的滑動(dòng)、離層變形以及圍巖開(kāi)裂等破壞，讓圍巖盡量為受壓狀態(tài)，以更好地抑制圍巖產(chǎn)生的彎曲變形及破壞，確保錨固區(qū)圍巖盡量完整。借助錨桿的有效支護(hù)作用，可在錨固區(qū)構(gòu)建一具有較大剛度的承載結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善圍巖內(nèi)部實(shí)際應(yīng)力分布情況，以更好地阻止外巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。錨桿支護(hù)系統(tǒng)具有足夠延伸率，使圍巖連續(xù)變形釋放。綜合理論分析、數(shù)值模擬以及日常井下試驗(yàn)，人們得出提升錨桿支護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際支護(hù)剛度十分重要。

3.2 具體措施

依據(jù)實(shí)際支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于錨桿支護(hù)剛度的提升，可從下列兩方面著手：第一，及時(shí)支護(hù)，并為錨桿施加足夠大的高預(yù)應(yīng)力，同時(shí)讓這部分高預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的擴(kuò)散；第二，增加錨固長(zhǎng)度，最好進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，提升錨桿對(duì)巷道圍巖離層及錯(cuò)動(dòng)的敏感性，以第一時(shí)間及時(shí)抑制巷道的各種變形。在錨桿支護(hù)作業(yè)中，錨桿預(yù)應(yīng)力的大小會(huì)直接影響到實(shí)際支護(hù)效果，在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)做好錨桿預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散也十分重要，若用單根錨桿進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，其實(shí)際作用范圍相對(duì)較小，在實(shí)際支護(hù)作業(yè)中，應(yīng)借助托板以及鋼帶等部件，把錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到支護(hù)區(qū)四周的圍巖。對(duì)于深部巷道采用的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)作業(yè)而言，在實(shí)際施工中，應(yīng)盡量通過(guò)一次支護(hù)來(lái)有效控制圍巖變形，最好不要進(jìn)行二次支護(hù)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

一礦81303回風(fēng)巷進(jìn)行了220 m區(qū)段試驗(yàn)，主要支護(hù)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(qiáng)度由400號(hào)、500號(hào)代替335號(hào)Φ20～Φ22 mm直徑的左旋螺紋鋼式錨桿，鋼帶與鋼帶進(jìn)行空頂距施工，300×300×16高強(qiáng)度可調(diào)心托板配Φ17.8-1×7-1860 MPa或Φ21.6-1×7-1770MPa及相對(duì)錨具進(jìn)行二三邁步施工，幫部采用150×150×10的高強(qiáng)度可調(diào)心托板配套錨桿，屈服強(qiáng)度由400號(hào)、500號(hào)代替335號(hào)Φ20～Φ22 mm直徑的左旋螺紋鋼式錨桿。該方案降低了原來(lái)排見(jiàn)錨索的高成本投入，經(jīng)過(guò)五個(gè)月動(dòng)壓觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(duì)減小，證實(shí)了新高強(qiáng)支護(hù)理論是煤礦安全高效的新理論、新基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦巷道的支護(hù)作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤層深度和地質(zhì)條件選擇合適的支護(hù)技術(shù)和設(shè)備，充分考慮安全性、成本、適應(yīng)性以及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響等因素，在保證巷道安全施工的前提下，滿(mǎn)足開(kāi)采深度不斷加深的安全性要求，還應(yīng)盡量降低后期的檢修維護(hù)的成本，以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)煤礦支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。