淺談煤礦支護(hù)技術(shù)發(fā)展與高強(qiáng)支護(hù)方式

白旭飛

(潞安集團(tuán) 潞陽煤炭投資經(jīng)營管理公司，山西 壽陽 045400)

煤炭是我國經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展的重要支柱，建國初期能源大省山西的煤炭產(chǎn)量?jī)H僅為267萬t，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，山西的煤炭產(chǎn)能也在不斷提高，到1978年全省的原煤生產(chǎn)能力達(dá)到了9 825萬t，是1949年36.8倍。隨著我國改革開放的深入，全省的煤炭產(chǎn)能于2018年達(dá)到了9億t[1]。煤礦產(chǎn)能的提高離不開裝備技術(shù)的提高和井下巷道支護(hù)方式的變革，在整個(gè)煤炭工業(yè)發(fā)展過程中，煤礦井下巷道支護(hù)也經(jīng)歷了從傳統(tǒng)支護(hù)方式向高強(qiáng)支護(hù)方式應(yīng)用的蛻變。

1 巷道傳統(tǒng)支護(hù)方式

在1978年前的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，我國煤礦的煤炭生產(chǎn)在埋藏比較淺的煤層條件下進(jìn)行，由于大多數(shù)煤礦采用原始的非機(jī)械方式開采，井下巷道通常斷面小、巖層礦山壓力不大，所以巷道支護(hù)采用的是傳統(tǒng)方式，例如：棚式支護(hù)、砌碹支護(hù)、單體液壓支柱支護(hù)、摩擦支柱支護(hù)，后來逐步發(fā)展成混凝土棚腿棚梁支護(hù)、工字鋼支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)。由于這一時(shí)期礦井的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度不大，井下巷道的斷面又比較小，這幾種傳統(tǒng)的支護(hù)方式基本滿足了對(duì)巷道支護(hù)強(qiáng)度的要求。

2 高強(qiáng)支護(hù)方式應(yīng)用的必要性及基本原理

高強(qiáng)支護(hù)方式是指使用錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、鋼帶以及噴射混凝土等支護(hù)方式中的一種或多種，控制井下巷道頂板及兩幫變形的支護(hù)方式。在當(dāng)前煤炭開采深度大、強(qiáng)度高的條件下，高強(qiáng)支護(hù)方式體現(xiàn)出了其安全、高效、成本低、效果好的特點(diǎn)[2-7]。

2.1 應(yīng)用高強(qiáng)支護(hù)方式的必要性

改革開放40年多來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤礦井下工作面生產(chǎn)能力越來越大，淺部的煤炭資源存儲(chǔ)已所剩無幾，開采深部煤炭已成必然。由于國民經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭資源需求的不斷增加，促使煤炭生產(chǎn)裝備越來越趨向重型化，隨之井下巷道與工作面切眼的斷面也顯著加大，加之開采深度增加后巷道頂部巖層壓力的增大，采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式已不能滿足深部大斷面巷道支護(hù)的要求。為了保持開掘與生產(chǎn)過程中巷道穩(wěn)固，必須根據(jù)現(xiàn)有條件選擇適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)支護(hù)方式來穩(wěn)固巷道。

2.2 高強(qiáng)支護(hù)的基本理論

在煤礦井下開采深部煤炭時(shí)，由于巷道施工環(huán)境相比淺部更加復(fù)雜，煤層蓋山厚度的增大，使巷道頂部巖層受到的壓力大大增強(qiáng)。因而在開掘深部巷道時(shí)，要依據(jù)地質(zhì)部門提供的勘測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)松動(dòng)圈的作用、頂板巖層狀況進(jìn)行分析，制定出合理的高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案。同時(shí)，在施工過程中要注意巷道的礦壓觀測(cè)，及時(shí)處置因巷道支護(hù)力不足造成的頂板或巖層移動(dòng)、變形情況。

高強(qiáng)支護(hù)依據(jù)的是錨桿支護(hù)的懸吊理論、組合梁理論、組合拱原理。懸吊理論認(rèn)為，錨桿支護(hù)的作用是將巷道揭露的頂板較軟弱的層狀巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上，防止直接頂板與老頂發(fā)生離層、脫落。

組合梁理論認(rèn)為，使用錨桿將巷道頂板中存在的若干層狀頂板,“裝訂”成一個(gè)以巷道兩幫為支點(diǎn)的整體組合梁,可防止巖石沿層面滑動(dòng)或出現(xiàn)離層。

組合拱原理認(rèn)為,在拱形巷道圍巖破裂區(qū)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿,其桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力,如果錨桿間距足夠小、錨桿間的壓應(yīng)力錐體相互交錯(cuò),將使巷道周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合拱，不僅可承受上部巖石的徑向載荷,而且對(duì)巖層的支承還具有補(bǔ)強(qiáng)作用。

總之，以錨桿支護(hù)為軸心的高強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)，具備強(qiáng)度大、剛度大、抗剪阻力大等特性，可以解決深部開采條件下直接頂與老頂發(fā)生離層或脫落的問題。

3 高強(qiáng)支護(hù)方式的分類

如上所述，相較于傳統(tǒng)支護(hù)而言，高強(qiáng)支護(hù)方式是將支護(hù)裝置作為預(yù)應(yīng)力負(fù)載梁，抵消巷道頂部垂直應(yīng)力的作用，減少巷道圍巖可能產(chǎn)生的變形，提高巷道開掘的穩(wěn)定性和安全性。隨著井下開采深度的普遍增加，以錨桿支護(hù)、光爆錨噴網(wǎng)支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)為主的多種高強(qiáng)支護(hù)方式，在煤礦深部巷道支護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 錨桿支護(hù)

錨桿是當(dāng)前一個(gè)階段巷道支護(hù)的最基本構(gòu)成要件，憑借其優(yōu)越的綜合性能廣泛應(yīng)用于煤礦井下的巷道支護(hù)中。在巷道施工過程中，錨桿在提高破碎巖體穩(wěn)定性方面起著重要作用?；诜€(wěn)固巷道的頂板或巖層，錨桿支護(hù)是通過將錨桿深入圍巖深處，將不穩(wěn)定的圍巖巖層與巖石緊固在一起，形成組合梁、組合拱，加固巷道結(jié)構(gòu)并提升巷道的穩(wěn)定性，避免和消除圍巖發(fā)生坍塌、滑移。在巷道所有支護(hù)錨桿的共同作用下，通過擠壓、粘結(jié)圍巖形成一個(gè)承載環(huán)，控制了圍巖可能發(fā)生的后續(xù)變形，使巷道周圍一定深度的圍巖得到穩(wěn)固。

錨桿支護(hù)的配套形式有: 錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨梁支護(hù)、錨桿鋼帶支護(hù)等等。

錨桿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是:成本低，工藝簡(jiǎn)單，斷面支護(hù)空頂距小，非常適應(yīng)于一次成巷和快速掘進(jìn)施工。

3.2 光爆錨噴網(wǎng)支護(hù)

光爆是指光面爆破，是一種利用炸藥合理控制爆破的技術(shù)，爆破后巷道成型規(guī)格、平整，與設(shè)計(jì)斷面的輪廓尺寸非常接近，巖壁沒有明顯的爆震龜裂現(xiàn)象，巷道圍巖的穩(wěn)定性與自承能力強(qiáng)，有利于確保圍巖的整體性。

錨噴網(wǎng)支護(hù)方式就是先采用錨桿在巷道的頂拱和邊墻固定鋼筋網(wǎng)，而后再向其上噴射一定厚度混凝土的支護(hù)方式。單獨(dú)采用錨桿或噴射混凝土，一般只用于巷道的局部支護(hù)，錨噴網(wǎng)支護(hù)用于巷道的頂拱和邊墻的支護(hù)，既充分發(fā)揮了錨桿的作用，又發(fā)揮了噴射混凝土的作用。同時(shí)，鋼筋網(wǎng)不僅相當(dāng)于增大了錨桿托板的面積，且噴層還使破碎圈的表面趨于完整，有利于增大圍巖的抗彎、抗剪能力，使錨噴網(wǎng)支護(hù)巷道具備較高的韌性和較大的允許變形量。

光爆錨噴網(wǎng)支護(hù)方式變傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，有利于保持圍巖的完整性、穩(wěn)定性，該支護(hù)方式“以護(hù)為主、以支為輔”，強(qiáng)化了對(duì)破碎圈的加固而不是對(duì)破碎圈的支護(hù)，非常適用于對(duì)破碎帶不穩(wěn)定巖石的支護(hù)。

3.3 聯(lián)合支護(hù)

煤礦淺部開采結(jié)束后，井下深部巷道受淺部開采的影響，存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、底板荷載性能弱等現(xiàn)象，采用單一形式的支護(hù)技術(shù)，不僅難以發(fā)揮出期望的支護(hù)效果，而且存在安全隱患。當(dāng)前，在井下深部巷道施工中應(yīng)用聯(lián)合支護(hù)，已經(jīng)成為常見的設(shè)計(jì)方案。聯(lián)合支護(hù)包括:高預(yù)拉力錨桿+超高強(qiáng)U型鋼可縮性支架；U型鋼支護(hù)+錨網(wǎng)支護(hù)；混凝土支護(hù)+錨桿支護(hù)；錨網(wǎng)帶支護(hù)+錨索等多種組合方式，其對(duì)于井下深部巷道不同條件下的支護(hù)作用非常明顯。

例如，為了防止井下巷道的頂板或巖層受周邊采動(dòng)影響，發(fā)生巖石的流動(dòng)、移動(dòng)、變形情況，一般采用高預(yù)拉力錨桿與超高強(qiáng)U型鋼可縮性支架構(gòu)成的聯(lián)合支護(hù)方式。在該聯(lián)合支護(hù)方式中，高預(yù)拉力錨桿以其具有的高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)應(yīng)力及高可靠性，發(fā)揮錨桿穩(wěn)固巖層的超強(qiáng)作用。超高強(qiáng)U型鋼可縮性支架，以大承載、高阻縮、恒阻滑的工作狀態(tài)確保了圍巖的穩(wěn)定。聯(lián)合支護(hù)方式改變了錨固體的力學(xué)特性，提高了巷道頂板或巖層的錨固強(qiáng)度，促使圍巖從二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步強(qiáng)化了圍巖的承載結(jié)構(gòu)，補(bǔ)強(qiáng)了巖體弱化區(qū)的不均衡性，并可使軟弱夾層頂板的離層得到控制。

高強(qiáng)支護(hù)方式充分發(fā)揮了巷道圍巖的自承能力，給圍巖提供了較高的預(yù)應(yīng)力，可使巷道圍巖實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，已經(jīng)成為煤礦深部開采時(shí)普遍應(yīng)用的巷道支護(hù)方式。