我國(guó)煤礦巷道支護(hù)理論及技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

劉德軍，左建平，劉海雁，洪紫杰，文金浩，史月

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083

煤炭是我國(guó)的主要能源，仍占一次能源結(jié)構(gòu)的60%以上，這一地位在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變。巷道是井工煤礦開(kāi)采的必要通道，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有煤礦每年新掘進(jìn)巷道總長(zhǎng)達(dá)12 000 km[1]，巷道工程規(guī)模巨大。暢通、穩(wěn)定的巷道是煤礦安全生產(chǎn)、高效開(kāi)采的基本保障[2]。因此，巷道支護(hù)理論與技術(shù)是煤礦巖層控制研究的核心內(nèi)容[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)遠(yuǎn)景煤炭資源儲(chǔ)量約5.57×1012t，而埋深在1 000 m以下的有2.95×1012t，占煤炭資源總量的53%[3]。隨著我國(guó)對(duì)煤炭資源需求的持續(xù)增加、煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大以及淺部資源日益減少，我國(guó)煤礦開(kāi)采深度正以每年8～12 m的速度增加，其中，東部礦井更是以每年10～25 m的速度發(fā)展[4]。同時(shí)，隨著煤礦規(guī)模與產(chǎn)量的提高，采掘設(shè)備的大型化、重型化，要求的巷道斷面越來(lái)越大[2]。另外，我國(guó)松軟破碎巖層礦區(qū)分布很廣，我國(guó)軟弱及破碎圍巖中的巷道掘進(jìn)量約占煤礦巷道年掘進(jìn)量的10%。上述因素帶來(lái)了新的巷道支護(hù)力學(xué)問(wèn)題，不同程度地增加了巷道的支護(hù)難度。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量專家、學(xué)者、工程設(shè)計(jì)人員等對(duì)巷道的支護(hù)控制進(jìn)行了探討和研究，巷道支護(hù)理論和技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文系統(tǒng)梳理了巷道支護(hù)的代表性理論，從圍巖內(nèi)部、巷道表面和復(fù)合控制三個(gè)方面詳細(xì)闡述和分析了巷道支護(hù)技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了近期所開(kāi)展的相關(guān)工作。在此基礎(chǔ)上，討論分析了巷道支護(hù)下一步可能的研究重點(diǎn)。

1 巷道支護(hù)理論

巷道支護(hù)理論發(fā)展階段的劃分種類較多，接受度較高的是：①1920年以前的古典壓力理論階段。該理論認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是上覆巖層的重量，不適應(yīng)于埋深較大的巷道。②1920—1960年的塌落拱理論階段。該理論將坍落拱內(nèi)的巖石重量作為支護(hù)荷載，并據(jù)此進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。③1960年至今的現(xiàn)代支護(hù)理論階段。該理論認(rèn)為圍巖具有自承能力，支護(hù)與圍巖共同作用是該階段的核心觀點(diǎn)。

我國(guó)學(xué)者在現(xiàn)代支護(hù)理論方面做了大量工作，提出多種支護(hù)理論，并在生產(chǎn)實(shí)踐中起到積極的指導(dǎo)作用，比較具有代表性的有：

(1) 新奧法支護(hù)理論[5]。結(jié)合煤炭行業(yè)自身特點(diǎn)，對(duì)新奧法支護(hù)理論進(jìn)行了較好地完善和發(fā)展，形成適用于我國(guó)地質(zhì)條件的支護(hù)原則：光面爆破；早強(qiáng)噴射混凝土及時(shí)封閉巷道周邊，實(shí)施密貼支護(hù)；錨噴支護(hù)，主動(dòng)加固，在圍巖內(nèi)形成承載圈，提高自承能力；實(shí)施二次支護(hù)；對(duì)破碎圍巖實(shí)施注漿加固；實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工等。

(2) 軸變理論[6]。該理論認(rèn)為巷道的變形破壞是由于圍巖應(yīng)力超過(guò)巖體的極限強(qiáng)度，改變了巷道的軸比，導(dǎo)致巷道周邊圍巖應(yīng)力重新分布，最終形成穩(wěn)定的巷道軸比，即橢圓形。

(3) 松動(dòng)圈支護(hù)理論[7]。該理論根據(jù)圍巖存在松動(dòng)破碎帶的客觀事實(shí)提出，認(rèn)為巷道開(kāi)挖后一般會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)圈。支護(hù)主要考慮松動(dòng)圈圍巖的碎脹變形，除此之外，還包括松動(dòng)圈圍巖自重和巷道深部圍巖的部分彈塑性變形。支護(hù)的作用是限制松動(dòng)圈形成過(guò)程中碎脹力所造成的有害變形，松動(dòng)圈越大，支護(hù)越困難。

(4) 聯(lián)合支護(hù)理論[8]。對(duì)于復(fù)雜困難巷道，只提高支護(hù)體剛度難以有效控制圍巖變形，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。由此發(fā)展起來(lái)的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有錨噴網(wǎng)、錨噴網(wǎng)架、錨帶網(wǎng)架等。聯(lián)合支護(hù)理論在困難巷道中得到比較廣泛的應(yīng)用，但隨著圍巖條件越來(lái)越差，該理論受到了挑戰(zhàn)。

(5) 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論[9]。該理論的觀點(diǎn)是錨桿支護(hù)可以提高錨固巖體的峰值、峰后和殘余強(qiáng)度，有效改善原巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量，提高圍巖承載能力，進(jìn)一步改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，有效地減小巷道圍巖塑性區(qū)和破壞區(qū)半徑以及巷道表面位移。

(6) 關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論[10]。該理論的主體思想是：巷道支護(hù)破壞大多是由于支護(hù)體與圍巖在剛度和強(qiáng)度方面的不耦合造成的，所以選擇與圍巖耦合的支護(hù)技術(shù)是關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，可以分為兩次支護(hù)，第一次為柔性的面支護(hù)，第二次為關(guān)鍵部位的點(diǎn)支護(hù)。

(7) 主次承載區(qū)支護(hù)理論[11]。該理論將巷道圍巖分成主承載區(qū)和次承載區(qū)，二者協(xié)調(diào)工作保持巷道穩(wěn)定。次承載區(qū)雖然具有一定的承載力，但只是起到輔助作用，主承載區(qū)才是保證圍巖穩(wěn)定的核心區(qū)域。

(8) 其他支護(hù)理論。錨注理論[12]：錨桿與注漿的有機(jī)結(jié)合；巷道承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)理論[13]：認(rèn)為鋼管混凝土支架具有很高的承載能力，在其他支護(hù)方式共同作用下(如注漿、錨索桿)，淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到改善，形成環(huán)形承壓結(jié)構(gòu)；強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)理論[14]：認(rèn)為加強(qiáng)巷道幫支護(hù)，可使巷道圍巖受力更合理，從而可提高巷道整體穩(wěn)定性；等強(qiáng)梁支護(hù)理論[15]：該理論根據(jù)頂板彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布特征提出，在彎曲正應(yīng)力大的跨中區(qū)域，采用高強(qiáng)度、長(zhǎng)錨桿，而在彎曲正應(yīng)力逐漸減少的兩邊區(qū)域，適當(dāng)減少錨桿長(zhǎng)度，但應(yīng)增加錨桿直徑以提高抗剪能力；圍壓恢復(fù)加固理論[16]：該理論通過(guò)采用合理的支護(hù)方法使卸除的圍壓盡快恢復(fù)，進(jìn)而提高圍巖的自承能力，實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定，同時(shí)指出預(yù)應(yīng)力錨桿和強(qiáng)化的護(hù)表結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)圍壓恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)；極限自穩(wěn)平衡拱理論[17]給出了極限自穩(wěn)平衡拱的橢圓曲線方程，認(rèn)為巷道圍巖的控制對(duì)象為自穩(wěn)平衡拱內(nèi)的巖體。

2 巷道支護(hù)技術(shù)

2.1 圍巖內(nèi)部支護(hù)技術(shù)

2.1.1 錨桿(索)支護(hù)技術(shù)

(1) 普通錨桿(索)支護(hù)技術(shù)。有文獻(xiàn)記載1872年英國(guó)開(kāi)始使用金屬錨桿，而在煤礦巷道支護(hù)上1912年德國(guó)謝列茲礦率先使用錨桿。我國(guó)在20世紀(jì)50年代開(kāi)始使用錨桿支護(hù)技術(shù)，1978年正式推廣。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)在支護(hù)理念、支護(hù)材料、設(shè)計(jì)方法、監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面均取得了重大進(jìn)展，巷道錨桿支護(hù)的比重達(dá)到了60%以上，部分礦區(qū)達(dá)到了90%以上[18]。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)大體經(jīng)歷了起步、攻關(guān)、引進(jìn)消化和創(chuàng)新提高四個(gè)階段[2，19]：① 起步階段(20世紀(jì)80年代中后期)。我國(guó)主要是進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的研究和試驗(yàn)，分析了錨桿在煤礦中的適用情形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用主要集中在少數(shù)幾個(gè)礦區(qū)，如徐州、新汶、淮南等。② 攻關(guān)階段(1991—1995年)。錨桿支護(hù)技術(shù)被列為國(guó)家“八五”期間的重點(diǎn)項(xiàng)目，通過(guò)研究取得了一大批科研成果，在各大煤礦得到全面的推廣和應(yīng)用。③ 引進(jìn)和消化階段(1996—2005年)。結(jié)合我國(guó)具體情況，集中企業(yè)、科研院所及大專院校等各方優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年大規(guī)模研究和試驗(yàn)，初步形成了適合我國(guó)煤礦條件的錨桿支護(hù)成套技術(shù)，顯著擴(kuò)大了錨桿支護(hù)的適用范圍。④ 創(chuàng)新提高階段(2005年至今)。隨著綜采放頂煤、厚煤層一次采全高開(kāi)采技術(shù)的快速發(fā)展和大面積應(yīng)用，對(duì)錨桿支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求，創(chuàng)新了系列新型的錨桿支護(hù)技術(shù)。

(2) 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)技術(shù)。普通錨桿(索)實(shí)際受力常常遠(yuǎn)低于桿體強(qiáng)度，錨桿使用密度很大，支護(hù)效果很不理想，同時(shí)不能有效控制頂板離層[20]。為此，我國(guó)學(xué)者通過(guò)系統(tǒng)研究提出了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索桿支護(hù)技術(shù)，具有代表性的有：康紅普等[21-22]通過(guò)系列研究，提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散的決定性作用，并開(kāi)發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)，包括強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力鋼帶及強(qiáng)力錨索系列材料；張農(nóng)等[20，23]提出以高預(yù)拉力、高強(qiáng)度、高剛度“三高”錨桿為主體的煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)。該技術(shù)認(rèn)為堅(jiān)持以高強(qiáng)錨桿為基礎(chǔ)、以高預(yù)緊力為核心的“三高”錨桿支護(hù)是降低巷道流變速度、保持巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過(guò)高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)，我國(guó)形成了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“三高一低”的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念。

(3) 高阻讓壓錨桿(索)支護(hù)技術(shù)。傳統(tǒng)錨索延伸能力較小，在大變形巷道支護(hù)中常出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，難以滿足支護(hù)要求。一般來(lái)說(shuō)，巷道圍巖變形包括一部分不可控制的變形，支護(hù)系統(tǒng)必須具有讓壓變形功能以讓掉不可控制的變形。同時(shí)這種讓壓必須是控制讓壓，即支護(hù)系統(tǒng)在一定的支護(hù)強(qiáng)度下緩慢讓壓，而不是自由讓壓。為此，開(kāi)發(fā)高阻力、可延伸錨桿(索)對(duì)大變形巷道進(jìn)行支護(hù)顯得尤為重要。

圖1 新型讓壓錨桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of yielding anchor bolt

連傳杰等[24]提出了一種由高強(qiáng)桿體、讓壓管、托盤以及螺母等部件組成的新型讓壓錨桿，并通過(guò)拉拔試驗(yàn)分析了其變形特性，給出了其本構(gòu)模型，如圖1所示。王平等[25]、張志康等[26]也對(duì)類似讓壓錨桿的讓壓特性進(jìn)行了研究，并開(kāi)展了井下工業(yè)試驗(yàn)，巷道大變形得到了有效控制。通過(guò)在托盤與螺母間加入讓壓管或讓壓環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)錨桿的讓壓性能，但可提供的讓壓距離有限。為此，馬念杰[27-28]、劉洪濤[29]等提出了可接長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù)(圖2)，研究結(jié)果表明：可接長(zhǎng)錨桿的延伸率高達(dá)17%，在充分發(fā)揮高延伸性的同時(shí)，也保證了較高的支護(hù)阻力，較好地適應(yīng)大變形巷道的變形破壞特征。

圖2 可接長(zhǎng)錨桿的結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structure of the lengthening bolt

此外，何滿潮等[30-31]成功研制了一種能適應(yīng)深部軟巖巷道大變形的恒阻大變形錨桿(圖3)，該錨桿不僅能夠提供恒定的較高支護(hù)力，又可產(chǎn)生十分大的拉伸量。研究表明，由該新型恒阻大變形錨桿所形成的圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)及對(duì)應(yīng)的支護(hù)對(duì)策可適應(yīng)于軟巖、深部巷道的圍巖支護(hù)，還可以有效控制沖擊地壓等工程災(zāi)害。

圖3 橫阻大變形錨桿結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of constant resistance and large deformation anchor bolt

(4) 錨索桁架支護(hù)技術(shù)。普通錨桿(索)支護(hù)對(duì)錨固煤巖體只提供徑向作用力，不提供切向作用力。當(dāng)巷道頂板為松軟破碎巖層或煤層，且巷道斷面比較大時(shí)，由于巷道塑性半徑和破裂區(qū)半徑較大，錨桿(索)的錨固力得不到保證，錨固煤巖體容易發(fā)生切向位移而難以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而錨桿(索)失去支護(hù)效果而發(fā)生頂板事故。為此，有學(xué)者[32-33]提出了頂板和幫部雙錨索桁架控制技術(shù)(圖4)，主要由長(zhǎng)錨索、短錨索、特制連接器、錨索鎖具和槽鋼構(gòu)件組成。該支護(hù)技術(shù)通過(guò)“雙向施力、長(zhǎng)軟抗剪、線型承載、錨固點(diǎn)穩(wěn)、變形閉鎖”限制開(kāi)挖后巷道圍巖出現(xiàn)拉、剪破壞，維護(hù)高應(yīng)力巷道支護(hù)穩(wěn)定。

1—連接器；2—長(zhǎng)錨索；3—錨固點(diǎn)；4—槽鋼；5—短錨索圖4 錨索桁架系統(tǒng)支護(hù)原理圖Fig.4 Support principle of cable-truss system

2.1.2 注漿控制技術(shù)

根據(jù)巷道煤巖體條件及裂隙發(fā)育特點(diǎn)，結(jié)合漿液在煤巖體中的擴(kuò)散特點(diǎn)、擴(kuò)散機(jī)理、漿液壓力分布規(guī)律等，注漿方法可以分為[34-35]：①裂隙充填注漿：注漿壓力較小，隨著漿液流動(dòng)，對(duì)煤巖體中較大的空洞或裂隙進(jìn)行充填，恢復(fù)煤巖體的完整性。②滲透注漿：提高注漿壓力，使?jié){液在壓力驅(qū)使下被注到粒狀介質(zhì)的孔隙中，但不足以對(duì)煤巖體造成破壞。③擠密注漿：注漿壓力繼續(xù)提高，將濃度較大的漿液擠入煤巖體地層中，凝固后多呈脈狀或條形狀，對(duì)煤巖體呈現(xiàn)一定的擠密作用。④劈裂注漿：注漿壓力進(jìn)一步提高，在滲透性較差的煤巖體中，漿液克服煤初始應(yīng)力和強(qiáng)度，對(duì)煤巖體產(chǎn)生擾動(dòng)破壞，造成裂隙發(fā)育，原有的裂隙和孔隙逐漸擴(kuò)大，提高了漿液擴(kuò)散范圍。水泥基類、化學(xué)漿類和水泥化學(xué)復(fù)合類是目前主要的注漿材料[36]。

相對(duì)于注漿材料與注漿工藝的發(fā)展，注漿理論有些滯后，多是從巖體裂隙滲流理論上發(fā)展變化而來(lái)。歸結(jié)起來(lái)有以下幾個(gè)方面[37-38]：①多孔介質(zhì)注漿理論：假設(shè)漿液為黏度一定的牛頓體，注漿源為點(diǎn)源，被注介質(zhì)為各向同性均質(zhì)材料，漿液從注漿孔的底部注入巖土體并呈球狀擴(kuò)散。多孔介質(zhì)注漿理論的主要代表有馬格(Magg)球形擴(kuò)散、卡羅爾(Karol)及拉芙萊(Raffle)漿液滲透理論。②擬連續(xù)介質(zhì)注漿理論：將巖體中的裂隙等效處理，假定漿液充滿巖體裂隙流動(dòng)，并根據(jù)裂隙的密度與數(shù)量進(jìn)行平均分配，從而分析漿液的流動(dòng)規(guī)律。③裂隙介質(zhì)注漿理論：假定漿液為牛頓流體或賓漢姆漿液，并將裂隙看成為單一裂隙，且裂隙面光滑、裂寬一定、漿液在裂隙中的流動(dòng)為層流，在此基礎(chǔ)上分析漿液的流動(dòng)特性。

注漿加固是破碎煤巖體的有效加固方法，在煤礦井下圍巖控制中得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于破碎煤巖體地質(zhì)條件的復(fù)雜性，影響因素的多樣性，注漿加固目前尚未有成熟可靠的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法，注漿參數(shù)如注漿壓力、注漿量等，大多依靠經(jīng)驗(yàn)確定，導(dǎo)致加固實(shí)踐中時(shí)有失效案例發(fā)生，注漿加固的可靠性有待提高。

2.1.3 卸壓控制技術(shù)

卸壓是指通過(guò)技術(shù)手段將巷道周邊圍巖高集中的地應(yīng)力釋放或者向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到改變巷道周邊應(yīng)力環(huán)境的目的。具體可以分為以下幾類：

(1) 爆破卸壓[39]。爆破卸壓的實(shí)質(zhì)是在圍巖鉆孔底部集中裝藥爆破，使原來(lái)處于高應(yīng)力狀態(tài)的巖層卸載，將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部。爆破卸壓通過(guò)鉆孔與爆破消除礦井中高應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力與能量積聚，從而營(yíng)造一個(gè)安全的開(kāi)采環(huán)境。目前，卸壓爆破是控制巖石劇烈失穩(wěn)現(xiàn)象最廣泛的方法之一。

(2) 卸壓槽卸壓[40]。卸壓槽卸壓是指在工作面前方利用機(jī)掘設(shè)備開(kāi)掘出一定寬度和深度的槽，使煤體中的彈性潛能得到釋放，工作面前方的集中應(yīng)力區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

(3) 鉆孔卸壓[41]。鉆孔卸壓是在巷道幫部或其他部位通過(guò)布置合理的鉆孔，使鉆孔遠(yuǎn)端附近圍巖首先發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，形成一個(gè)弱化區(qū)和弱化帶，進(jìn)而降低巷道周邊圍巖應(yīng)力集中程度，使巷道周邊圍巖處于低應(yīng)力區(qū)。

(4) 其他卸壓技術(shù)[42-43]。其他卸壓技術(shù)包括以深孔預(yù)裂卸壓技術(shù)為主的綜合卸壓法，即通過(guò)深孔預(yù)裂爆破、卸壓巷與煤層鉆孔卸壓等綜合技術(shù)，改善巷道圍巖應(yīng)力狀況，降低應(yīng)力集中系數(shù)，實(shí)現(xiàn)阻斷采區(qū)超前壓力并達(dá)到巷道卸壓目的。此外還有跨巷回采卸壓、卸壓巷道(硐室)卸壓、注水卸壓等。

2.2 巷道表面支護(hù)技術(shù)

巷道表面支護(hù)曾經(jīng)是煤礦巷道的主要支護(hù)方式，在20 世紀(jì)90 年代初，這種支護(hù)所占的比重高達(dá)80%以上。具體包括砌碹支護(hù)、金屬支架支護(hù)、鋼管混凝土支架支護(hù)以及其他新型的支護(hù)技術(shù)。

2.2.1 砌碹支護(hù)技術(shù)

砌碹支護(hù)是一種應(yīng)用很早的支護(hù)方式，目前在一些礦井的硐室、大巷中仍然采用。砌碹支護(hù)具有施工工藝簡(jiǎn)單、工人便于掌握、初次支護(hù)費(fèi)用低、對(duì)圍巖具有較好的封閉性等優(yōu)點(diǎn)，但是砌碹支護(hù)屬于剛性被動(dòng)支護(hù)，不僅施工速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且不適應(yīng)沖擊地壓(受力不均勻，容易開(kāi)裂變形)和大變形巷道的支護(hù)。

2.2.2 金屬支架支護(hù)技術(shù)

20世紀(jì)60年代以前，由于生產(chǎn)技術(shù)條件落后、木材容易獲得、成本低等原因，我國(guó)煤礦巷道基本采用木支架支護(hù)。但木支架初撐力和工作阻力低，適應(yīng)頂?shù)装遄冃文芰Σ?；坑木消耗量大，而且木材易燃，容易引起礦井火災(zāi)，威脅礦井安全生產(chǎn)。20世紀(jì)60—70年代，我國(guó)開(kāi)始研制使用礦用金屬支架，并形成了我國(guó)礦用金屬支架系列。70—80 年代，金屬支架技術(shù)迅速發(fā)展并成為我國(guó)巷道支護(hù)的主要形式，并由開(kāi)始的剛性金屬支架向可縮性金屬支架過(guò)渡。進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展完善，錨桿支護(hù)為我國(guó)大多數(shù)礦井所采用，而對(duì)于部分不適宜錨桿支護(hù)的礦井，仍然采用金屬支架支護(hù)。

從橫斷面形式上看，常用的金屬支架有工字鋼支架和U型鋼支架。工字鋼支架能夠適應(yīng)井下復(fù)雜多變的荷載狀況，穩(wěn)定性好。U型鋼支架具有的良好斷面形狀和幾何參數(shù)，搭接后易于收縮，只要設(shè)計(jì)合理、連接正確，U型鋼支架就能夠獲得較好的支護(hù)力學(xué)性能[44-45]。我國(guó)和其他主要產(chǎn)煤國(guó)家都普遍使用U型鋼支架。

按工作原理，金屬支架可分剛性支架與可縮性支架。剛性金屬支架沒(méi)有可縮性，具有較大的承載能力但是不能適應(yīng)巷道圍巖變形。因此，它只能在圍巖比較穩(wěn)定、變形較小、礦山壓力不大的巷道使用，否則將造成支架嚴(yán)重變形和破壞，甚至不能使用。可縮性金屬支架于20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)中國(guó)并發(fā)展成熟，它承載能力強(qiáng)，能夠讓壓伸縮以適應(yīng)圍巖變形，安裝方便快捷，可以重復(fù)使用。同時(shí)，可縮性支架的破壞形式常表現(xiàn)為漸進(jìn)性變形失效，極少有突發(fā)性的失穩(wěn)坍塌[46-47]。但是在普通可縮性支架支護(hù)下，部分巷道變形量大、破壞比較嚴(yán)重，為此我國(guó)部分礦區(qū)開(kāi)始采用高強(qiáng)可縮性U型鋼支架支護(hù)技術(shù)，并取得了較好的支護(hù)效果[48]。

總體而言，金屬支架支護(hù)也屬于被動(dòng)支護(hù)，支架與巷道表面很難密切接觸，控制圍巖早期變形的能力差，在復(fù)雜困難條件下支護(hù)效果差、成本高。另外，可縮性金屬支架的讓壓量有限，尚未有可靠的定量讓壓方式和成熟的讓壓量計(jì)算方法。

2.2.3 鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)

針對(duì)巷道的支護(hù)難題，不斷有人在嘗試新思路、新材料和新技術(shù)，其中以鋼管混凝土支架最具有突破性。該結(jié)構(gòu)中，混凝土在鋼管的作用下處于三向受壓狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度成倍提高，而鋼管由于混凝土的存在，剛度得到增強(qiáng)。因此，鋼管和混凝土的優(yōu)點(diǎn)得到了充分發(fā)揮，兩者協(xié)同變形、共同承受荷載，使鋼管混凝土支架具有承載力高、穩(wěn)定性好、單位承載力支護(hù)成本低等特點(diǎn)。1957年，文獻(xiàn)[49]首次提出了鋼管混凝土，之后學(xué)者們對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量且深入的研究。在巷道支護(hù)領(lǐng)域，1995年安徽理工大學(xué)首次報(bào)道了鋼管混凝土支架在煤礦巷道應(yīng)用的相關(guān)研究，但并未引起重視。2006年后，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)和山東大學(xué)相繼投入大量科研力量進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)、理論和數(shù)值研究并取得了飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了圓形、馬蹄形、直墻半圓拱形等適用于不同巷道形狀的系列支架。其中，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)開(kāi)發(fā)的支架主要采用圓形鋼管，而山東大學(xué)開(kāi)發(fā)的支架主要采用方形鋼管和U型鋼(焊接鋼板形成密閉結(jié)構(gòu)，然后注混凝土)。鋼管混凝土支架采用裝配式工藝施工，鋼管與鋼管間采用套管連接，支架間采用頂管支頂，然后從布置在支架底部的注漿孔灌注混凝土[50]，見(jiàn)圖5。

1—套管；2—鋼管；3—頂管；4—注漿孔圖5 鋼管混凝土支架示意圖Fig.5 Demonstration of concrete-filled steel tubular support

針對(duì)巷道用鋼管混凝土支架體系，我國(guó)已開(kāi)展了系列的室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論研究以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，初步形成了相應(yīng)的計(jì)算理論和技術(shù)體系框架[50-51]，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[52-64]。但是，巷道鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐走在前列，相應(yīng)的支護(hù)理論和支護(hù)設(shè)計(jì)方法相對(duì)滯后。能反映支架真實(shí)受力的試驗(yàn)方法(原型試驗(yàn)除外)、鋼管混凝土支架的精細(xì)化數(shù)值方法、支架整體承載力計(jì)算方法和成熟可靠的支架設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法是下一步的研究重點(diǎn)。

2.2.4 鋼筋混凝土支架支護(hù)技術(shù)

鋼筋混凝土支架采用預(yù)制的鋼筋混凝土構(gòu)件，通過(guò)連接構(gòu)件或直接采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土澆筑，具有承載力大、不易變形、返修率低等優(yōu)點(diǎn)[65]。

鋼筋混凝土支架是一種不可壓縮的剛性支架，在受采動(dòng)影響、變形量較大的巷道中使用時(shí)，易于損壞。此外，混凝土支架具有重量大、架設(shè)困難、成本較高、折斷后不可再用等缺點(diǎn)，因此只在圍巖比較堅(jiān)硬或礦山壓力較為穩(wěn)定的巷道中使用。

2.2.5 其他表面支護(hù)技術(shù)

針對(duì)巷道的表面支護(hù)技術(shù)，不斷有學(xué)者在嘗試新型支護(hù)方法。王璨[66]在混凝土弧板支護(hù)的基礎(chǔ)上提出了雙層鋼板高強(qiáng)混凝土弧板支架支護(hù)方法(圖6)。該支護(hù)方法不僅具有很高的承載能力，而且還具有一定的柔性。吳麗麗等[67]提出一種適用于軟巖巷道中的新型波形腹板金屬支架結(jié)構(gòu)(圖7)。波形腹板工型構(gòu)件由波形鋼腹板與平翼緣鋼板焊接而成，具有加工制作簡(jiǎn)單、施工快捷、能較好地適應(yīng)軟巖大變形、力學(xué)性能良好等特點(diǎn)。

圖6 弧板支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Arc plate bracket of the double steel high-strength concrete

1—上翼緣；2—下翼緣；3—波形鋼腹板；4，5—連接短板；6—螺栓；7，8—蓋板圖7 波形鋼腹板支架部件的連接方式Fig.7 Diagram of the connection of components of corrugated webs support

2.3 復(fù)合支護(hù)技術(shù)

復(fù)合支護(hù)是采用兩種或兩種以上的支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)巷道。復(fù)合支護(hù)能充分發(fā)揮每種支護(hù)方式的支護(hù)性能，并能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有更好的支護(hù)效果和更廣泛的適用范圍。常見(jiàn)復(fù)合控制技術(shù)有注漿-錨桿支護(hù)技術(shù)[12，69]、棚-索支護(hù)技術(shù)[70]、注漿-棚-索支護(hù)技術(shù)[13]等。復(fù)合支護(hù)雖然適用范圍廣，但支護(hù)費(fèi)用高、成巷速度慢，支護(hù)形式選擇不匹配時(shí)，往往造成各個(gè)擊破的情況。因此，需要針對(duì)巷道具體條件，選擇合理的復(fù)合支護(hù)形式，才能達(dá)到預(yù)期效果。

近年來(lái)，筆者所在團(tuán)隊(duì)在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了“全空間預(yù)應(yīng)力桁架錨索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)”[71]，如圖8所示。

1—錨索；2—托架；3—拉桿；4—錨桿；5—金屬網(wǎng)；6—鋼帶；7—頂板；8—煤巷圖8 全空間預(yù)應(yīng)力桁架錨索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.8 Whole space synergetic supporting structure of pre-stressed truss anchor cable

該控制系統(tǒng)是對(duì)頂板鋼絞線施加較高預(yù)緊力，并采用專用拉桿使鋼絞線拉緊，給頂板巖體提供水平橫向、水平軸向以及垂直方向預(yù)應(yīng)力，在巷道頂板形成一個(gè)三維受壓的壓縮帶，如圖9所示。此外，兩幫肩角深部巖體是頂板承載結(jié)構(gòu)的著力基礎(chǔ)，加強(qiáng)兩幫煤體控制，既有利于實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)定性控制，也有利于控制巷道圍巖整體的變形破壞。全空間桁架錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)是從三維空間角度對(duì)巷道頂板、兩幫以及底角支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)，使得支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)載荷協(xié)調(diào)分配，即使出現(xiàn)局部支護(hù)失效，其承擔(dān)載荷也可以均勻協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)移到整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)其他錨桿(索)上，防止巷道圍巖出現(xiàn)局部失穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)大斷面破碎巷道圍巖整體協(xié)調(diào)控制的目的。與其他復(fù)合支護(hù)技術(shù)相比，全空間桁架錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)具有三向立體施力、主被動(dòng)支護(hù)耦合、整體協(xié)同承載、穩(wěn)固抗剪、結(jié)構(gòu)閉鎖和底角控鼓的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 全空間桁架錨索協(xié)同支護(hù)原理Fig.9 Whole space synergetic support principle of pre-stressed truss anchor cable

3 討 論

雖然我國(guó)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)和控制理論取得了很大成就，形成了較為成熟的技術(shù)理論體系，但由于煤礦巷道地質(zhì)條件的不確定性和復(fù)雜性，仍有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：

(1) 各種支護(hù)技術(shù)的作用機(jī)理還不成熟，圍巖與支護(hù)體的協(xié)調(diào)作用機(jī)制等仍需不斷深入研究。

(2) 現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)雖基本能滿足巷道穩(wěn)定性的控制要求，但是我國(guó)煤礦地質(zhì)條件極復(fù)雜，困難巷道很多，極軟、極破碎、超深、強(qiáng)烈采動(dòng)影響、強(qiáng)烈沖擊地壓、強(qiáng)烈底鼓巷道等支護(hù)問(wèn)題還沒(méi)有解決，仍需要不斷攻關(guān)研究，開(kāi)發(fā)新材料、新支護(hù)技術(shù)體系。

(3) 深部、軟巖巷道圍巖具有顯著大變形、流變特性，巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)應(yīng)具備一定的讓壓特性。雖有學(xué)者提出了各種讓壓措施，但仍存在讓壓機(jī)理認(rèn)識(shí)不清、讓壓量計(jì)算方法欠缺等缺點(diǎn)，下一步需將圍巖流變及支護(hù)讓壓結(jié)合起來(lái)，深入研究深部、軟巖巷道圍巖-讓壓技術(shù)協(xié)同承載機(jī)理。

(4) 巷道圍巖穩(wěn)定性控制是一門系統(tǒng)的學(xué)科，單一的支護(hù)技術(shù)難以有效控制巷道的穩(wěn)定性，需進(jìn)一步開(kāi)展各種支護(hù)技術(shù)的耦合作用機(jī)理研究，豐富復(fù)合控制技術(shù)體系。在掌握巷道圍巖支護(hù)特性的基礎(chǔ)上，考慮圍巖力學(xué)特性，研究各種支護(hù)技術(shù)的強(qiáng)度、剛度的耦合承載機(jī)理及實(shí)現(xiàn)方式。

(5) 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法仍以經(jīng)驗(yàn)為主，還缺乏普遍認(rèn)可的支護(hù)設(shè)計(jì)方法，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的科學(xué)定量設(shè)計(jì)。在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法上仍有大量基礎(chǔ)研究工作需要開(kāi)展。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)梳理了巷道的代表性支護(hù)理論，從圍巖內(nèi)部、巷道表面和復(fù)合控制三個(gè)方面詳細(xì)闡述和分析了巷道支護(hù)技術(shù)，并討論分析了巷道支護(hù)下一步可能的研究重點(diǎn)。支護(hù)理論上，新奧法、松動(dòng)圈、聯(lián)合支護(hù)、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化和關(guān)鍵部位耦合等理論認(rèn)可度較高，近年來(lái)也涌現(xiàn)一些新型的支護(hù)理論，如承壓環(huán)、強(qiáng)幫強(qiáng)角和等強(qiáng)支護(hù)理論。支護(hù)技術(shù)上，圍巖內(nèi)部支護(hù)技術(shù)包括錨桿(索)、注漿和卸壓技術(shù)，表面支護(hù)技術(shù)主要包括砌碹和支架技術(shù)?？傮w而言，我國(guó)已形成了較為成熟的巷道支護(hù)技術(shù)和理論體系，但是在支護(hù)技術(shù)協(xié)同作用機(jī)制、讓壓機(jī)理以及明確定量的支護(hù)設(shè)計(jì)方法等方面尚需進(jìn)一步研究。