煤礦巷道支護(hù)與加固材料的發(fā)展及展望

康 紅 普

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

井工開采是我國煤礦的主要開采方式，開采前需要掘進(jìn)各種類型的井筒、巷道與硐室，井巷工程的暢通與穩(wěn)定是保證煤礦正常生產(chǎn)的基本前提。同時(shí)，井巷工程的施工速度、維護(hù)成本都顯著影響煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

煤系沉積巖地層特點(diǎn)決定了煤礦巷道與其他行業(yè)相比具有顯著的特征，主要表現(xiàn)為軟巖、強(qiáng)采動、大變形[1]。煤巖體強(qiáng)度普遍比較低；煤巖體中各種尺度的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，圍巖破碎；中東部地區(qū)開采深度大，地應(yīng)力高；80%以上的巷道受工作面采動影響，采動應(yīng)力數(shù)倍于原巖應(yīng)力；無煤柱開采技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，采動影響更加強(qiáng)烈；隨著煤炭產(chǎn)量的不斷增加及大型采掘裝備的廣泛采用，要求的巷道斷面越來越大；對于回采巷道，還要求采前必須穩(wěn)定，采后又能及時(shí)垮落。

針對上述煤礦巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件及圍巖變形、破壞特點(diǎn)，我國開發(fā)了多種形式的巷道支護(hù)加固技術(shù)[2-3]。按支護(hù)加固原理可分為4 種形式[4]：①棚式支架、支柱、砌碹支護(hù)等巷道圍巖表面支護(hù)型；②錨桿與錨索巷道圍巖錨固型；③注漿加固巷道圍巖改性型；④上述2種及以上方法聯(lián)合控制型。

煤礦巷道支護(hù)與加固技術(shù)包括理論、設(shè)計(jì)、材料、施工工藝、裝備及礦壓監(jiān)測等諸多內(nèi)容，其中支護(hù)、加固材料是核心內(nèi)容?？偨Y(jié)我國煤礦巷道支護(hù)、加固材料及構(gòu)件的發(fā)展?fàn)顩r，取得的主要研究成果，并對今后的發(fā)展提出建議。

1 煤礦巷道支護(hù)加固材料類型

我國煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了從木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿、錨索支護(hù)的發(fā)展過程。巷道支護(hù)與加固涉及的材料類型很多[5]，可分為金屬材料、非金屬材料及復(fù)合材料，見表1。在金屬材料中，型鋼是制作各種金屬支架的主要材料，鋼筋、鋼絞線用于制作錨桿與錨索。非金屬材料類型很多，包括木材、磚、巖石、砂、水泥、混凝土，高分子材料等，用于制作非金屬支架，及噴漿、充填、錨固、注漿等。復(fù)合材料包括金屬與非金屬復(fù)合材料，無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料等，用于制作支架、支護(hù)構(gòu)件及噴層、注漿等，以進(jìn)一步提高支護(hù)與加固效果。

表1 煤礦巷道支護(hù)加固材料類型

2 巷道支護(hù)材料與構(gòu)件

巷道支護(hù)形式是指支護(hù)力作用在巷道圍巖表面的支護(hù)，包括各種棚式支架、支柱、砌碹支護(hù)(鋼筋)混凝土支護(hù)及噴射混凝土等，見表2。

表2 巷道圍巖表面支護(hù)形式分類

2.1 棚式支架

棚式支架是煤礦巷道最早的支護(hù)形式，屬于被動支護(hù)，只有當(dāng)圍巖壓緊支架時(shí)才會承載。棚式支護(hù)形式經(jīng)歷了從木支架、砌碹支架、裝配式鋼筋混凝土支架、型鋼支架到鋼約束混凝土支架的發(fā)展過程。在2000年以前，棚式支架的用量很大，是巷道主體支護(hù)方式。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，棚式支架所占的比例逐年降低。由于煤礦巷道的多樣性及我國巷道地質(zhì)條件的復(fù)雜性，目前，棚式支架仍然在部分巷道中使用。

金屬支架是應(yīng)用最廣泛的棚式支架(圖1)，是用于制作金屬支架的鋼材(混凝土)。工字鋼與U型鋼是常用的制作金屬支架的型鋼[6]。一般工字鋼用于制作剛性支架，U型鋼用于制作可縮性支架。支架鋼材主要有16Mn、20MnK、A5、A6等，前兩者主要用于U型鋼，屈服強(qiáng)度不小于350 MPa，拉伸強(qiáng)度不小于520 MPa，延伸率不低于16%。

圖1 巷道金屬支架材料斷面Fig.1 Cross-section of steel sets for roadways

工字鋼制作的剛性支架一般為一梁兩柱，斷面呈梯形、矩形。U型鋼可縮性支架具有多種架型，斷面多為拱形，根據(jù)巷道斷面不同支架節(jié)有3～5節(jié)或更多，支架節(jié)相互搭接并用連接件連接。巷道需要封底時(shí)，可采用圓形、馬蹄形、環(huán)形等全封閉式架型。

鋼約束混凝土支架是近年來開發(fā)與應(yīng)用的復(fù)合材料支架。這種支架有2個(gè)方面的優(yōu)勢：①充填混凝土的鋼約束材料其抗彎能力和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；②核心混凝土柱處于鋼約束的三向受壓狀態(tài)，其承載能力顯著提高。鋼約束混凝土支架主要有鋼管混凝土支架[7]、方鋼約束混凝土支架等[8]。文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了直徑140 mm、壁厚4.5 mm的鋼管、C40混凝土、鋼管混凝土及U29型鋼的短柱壓縮承載性能試驗(yàn)，得出極限承載力分別為449.9、257.3、1115.5和822.8 kN，可見鋼管混凝土的承載能力遠(yuǎn)高于鋼管和混凝土柱，比U29型鋼提高了35.6%。鋼管混凝土支架整架試驗(yàn)表明，由4節(jié)直徑140 mm、壁厚4.5 mm、C40的鋼管混凝土構(gòu)件組成的圓形封閉支架，其極限承載力達(dá)1 504.1 kN。理論計(jì)算表明：直徑140 mm、壁厚8.5 mm鋼管用鋼量與U29型鋼相差不大，但其承載能力是U29型鋼支架的3倍多，鋼管混凝土支架承載能力比U型鋼支架大幅提高。上述的鋼約束混凝土支架承載能力大，適用于高應(yīng)力、軟巖、大變形巷道的支護(hù)與維修。

為了提高支架的穩(wěn)定性，改善支架的受力狀態(tài)，在支架間應(yīng)設(shè)置拉桿，在架后設(shè)置金屬網(wǎng)、背板或進(jìn)行架后充填。架后充填可有效充填支架與巷道表面的空間，改善支架與巷道表面的接觸狀態(tài)，使支架受力更早、更均勻，顯著提高支架承載能力和支護(hù)效果[9-10]?；茨稀㈣F法等礦區(qū)的井下實(shí)踐表明，在深部、軟巖巷道等復(fù)雜困難條件下，采用U型鋼可縮性支架并進(jìn)行架后充填，支架阻力提高了5倍，巷道變形量下降90%，巷道支護(hù)狀況得到根本改善。

砌碹是較早使用的巷道支護(hù)方式。制作砌碹支護(hù)的材料包括料石、磚、混凝土塊、澆注(鋼筋)混凝土等。砌碹支護(hù)主要用于煤礦井下永久性重點(diǎn)工程，如大巷、馬頭門、硐室及大型交叉點(diǎn)等。由于砌碹支護(hù)屬于被動、剛性支護(hù)，施工工藝復(fù)雜、工程量大，其使用量逐年減少。目前，由于現(xiàn)澆(鋼筋)混凝土支護(hù)的獨(dú)特優(yōu)勢，還應(yīng)用于井底車場馬頭門、大型硐室等特殊工程。

裝配式鋼筋混凝土支架分為普通鋼筋混凝土支架與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支架。20世紀(jì)60年代初，我國煤礦就開展了普通鋼筋混凝土支架的研究與應(yīng)用，1973年開發(fā)出工字型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支架，并且形成了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。80年代初，又開發(fā)了高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板封閉型支架[11-12]，且進(jìn)行架后充填，顯著提高了支架承載能力。

2.2 噴層

在巷道表面噴層首先可起到封閉圍巖、防止風(fēng)化的作用，同時(shí)噴層能對圍巖施加徑向約束，傳遞剪應(yīng)力[13]，噴層分類見表3。按噴層材料可分為水泥砂漿、混凝土等無機(jī)材料；高分子等有機(jī)材料；樹脂與混凝土復(fù)合材料；鋼纖維、塑料纖維等纖維增強(qiáng)材料。按噴層厚度可分為普通噴層(一般為50～150 mm)和薄噴(厚度小于30 mm)。按噴射工藝可分為干式、潮式、濕式噴射混凝土及水泥裹砂噴射混凝土。噴層可一次噴射完成，也可二次或多次噴射完成。

表3 噴層分類

噴射混凝土是巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的噴層技術(shù)，早在20世紀(jì)50年代我國煤礦就開始研究、試驗(yàn)應(yīng)用噴射混凝土技術(shù)。通過不斷研究，在噴射材料、工藝及設(shè)備方面均取得很大進(jìn)展[14-15]。開發(fā)出多種專用噴射混凝土水泥、合成水泥，多種高效速凝劑、減水劑等；從普通噴射混凝土發(fā)展到鋼纖維、塑料纖維增強(qiáng)噴射混凝土，顯著提高了噴射混凝土的力學(xué)性能；噴射混凝土工藝從干式噴射、潮式噴射，發(fā)展到濕式噴射，提高了施工質(zhì)量與效果。

薄噴是近些年發(fā)展起來的新的噴層技術(shù)[16]。噴層采用高分子材料、復(fù)合材料等，噴層厚度僅為5～10 mm，噴層具有良好的彈性和延展性，主要用于封閉圍巖。

噴射混凝土常與錨桿、錨索共同使用，形成各種類型的錨噴支護(hù)，為煤礦各類易風(fēng)化圍巖巷道、維護(hù)時(shí)間長的巷道提供了有效、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)手段。

2.3 單體支護(hù)與液壓支架

巷道中使用的單體支護(hù)與液壓支架有多種形式，見表4，主要用于工作面巷道超前支護(hù)，沿空留巷、回撤通道等強(qiáng)烈采動影響巷道及沖擊地壓巷道、特殊地段的加強(qiáng)支護(hù)。

表4 巷道用支柱與液壓支架類型

單體支護(hù)由單體支柱及頂梁、柱帽、柱靴等組成。木支柱是最早的單體支柱，依靠木材自身強(qiáng)度支撐頂板，依靠打緊木楔提供初撐力。木支柱屬于被動支護(hù)，初撐力低，而且容易腐爛，已逐步被淘汰。摩擦式金屬支柱依靠摩擦力與活柱的斜度獲得工作阻力，通過升柱器、升柱楔可獲得一定的初撐力，可提供一定的可縮量。單體液壓支柱依靠液壓提供阻力，通過安全閥保持阻力恒定?？商峁┹^大的初撐力、穩(wěn)定的工作阻力及較大的可縮量，屬于主動支護(hù)。單體支柱可單根使用，也可2根或多根配合頂梁使用。我國煤礦很多工作面巷道超前支護(hù)采用單體液壓支柱配金屬鉸接頂梁支護(hù)形式。

液壓支架是綜采工作面的支護(hù)設(shè)備，具有支護(hù)阻力大、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢。為解決單體支護(hù)強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、支護(hù)效率低、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，我國煤礦開發(fā)了工作面巷道超前液壓支架[17-18]，并在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，取得良好效果。如山東新巨龍礦井1302工作面沿空巷道超前支護(hù)采用ZTC30000/25/50型液壓支架，工作阻力達(dá)30 000 kN，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)0.54 MPa，液壓支架發(fā)揮了良好的支護(hù)作用，滿足了工作面巷道超前支護(hù)的要求。

為提高回采工作面設(shè)備的回撤速度，采用預(yù)掘回撤通道，實(shí)現(xiàn)多通道搬家的巷道布置方式得到越來越多的應(yīng)用。預(yù)掘回撤通道，特別是主回撤通道，要經(jīng)受工作面超前支承壓力影響的全過程，而且工作面要采透回撤通道，采動影響十分強(qiáng)烈,支護(hù)難度很大，必須對其進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)與加固[19-20]。采用單體液壓支柱配合鋼梁支護(hù)有時(shí)不能有效控制回撤通道的強(qiáng)烈變形，保證回撤的安全。為此，采用液壓支架或?qū)ｉT設(shè)計(jì)垛式液壓支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。如晉城寺河礦4302大采高綜采工作面，主回撤通道寬5 m，高3.8 m，沿回撤通道軸線安裝2排垛式支架：一排支架型號ZZ12000/2.65/4.4，工作阻力12 000 kN；另一排支架型號ZZ7200/2.3/3.8，工作阻力7 200 kN。垛式支架配合其他支護(hù)保證了回撤通道的穩(wěn)定和設(shè)備的安全撤出。

混凝土支柱作為預(yù)掘回撤通道、回風(fēng)巷、二次或多次動壓影響巷道的加強(qiáng)支護(hù)，在美國、澳大利亞等國家得到廣泛應(yīng)用[21]?；炷林е梢缘孛骖A(yù)制，也可井下現(xiàn)場制作。支柱表面一般有約束，包括充填袋、波紋管、鋼絲或纖維箍、鐵皮罐，甚至是鋼管，以增加支柱的強(qiáng)度與穩(wěn)定性?，F(xiàn)場泵充混凝土支柱，由于具有施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)、可被采煤機(jī)割碎后帶式輸送機(jī)運(yùn)出、施工機(jī)械化程度高等優(yōu)勢，成為混凝土支柱的主要形式。

我國煤礦近年來也引進(jìn)、研發(fā)了泵充混凝土支柱技術(shù)，并在回撤通道、沿空留巷、工作面過空巷等工程中得到應(yīng)用。圖2為陜西何家塔煤礦工作面回撤通道實(shí)施的泵充混凝土支柱支護(hù)狀況及支柱受力變化曲線(工作面剛采透回撤通道)[22-23]。混凝土支柱采用充填袋泵充施工，直徑800 mm，高度3.2 m，回撤通道布置2排支柱，間距為1.8 m，排距為2.0 m?；炷羻屋S抗壓強(qiáng)度為42 MPa。

圖2 工作面回撤通道混凝土支柱支護(hù)及受力變化曲線(陜西何家塔礦)Fig.2 Longwall recovery room supported by concrete cribs and curve of force variation on them (Hejiata Coal Mine,Shaanxi)

由圖2b可知，當(dāng)工作面距回撤通道約2倍通道寬度之前，支護(hù)受力變化不大，之后緩慢上升；當(dāng)工作面距回撤通道相當(dāng)于通道寬度之后，支柱受力急劇增加，隨后支柱受力趨于平緩?？拷ぷ髅?zhèn)鹊膬筛е?6、7號)受力明顯大于另一側(cè)(5、8號)，支柱最大受力接近2 000 kN。在整個(gè)回撤通道維護(hù)過程中，混凝土支柱沒有發(fā)生明顯的破壞，起到了有效的加強(qiáng)支護(hù)作用。

沿空留巷可取消區(qū)段煤柱、提高煤炭資源采出率；減少巷道掘進(jìn)量，降低礦井掘進(jìn)率，在適宜的條件下得到推廣應(yīng)用。然而，沿空留巷要經(jīng)歷2個(gè)工作面的采動影響，尤其是在本工作面后方，頂板會發(fā)生強(qiáng)烈沉降，出現(xiàn)劇烈底鼓。因此，沿空留巷需要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)與巷旁支護(hù)[24-25]。其中加強(qiáng)支護(hù)主要采用單體支柱配頂梁及專門設(shè)計(jì)的液壓支架。

圖3為淮南謝一礦5121B10工作面回風(fēng)巷采用的DZ型單體支柱配HDJA-1000金屬鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)方式[25]。一梁一柱，走向棚支護(hù)。超前工作面煤壁20～60 m單排，0～20 m三排，滯后煤壁100 m內(nèi)三排支護(hù)。

圖3 回風(fēng)巷加強(qiáng)支護(hù)布置(淮南謝一礦)Fig.3 Layout of additional enhanced supporting for tailgate(Xieyi Coal Mine,Huainan)

沿空留巷加強(qiáng)支護(hù)液壓支架有多種形式?；茨系V業(yè)集團(tuán)公司等研制出自移式主動強(qiáng)力控頂支架[26]，如圖4所示。支架由立柱、頂梁、四連桿機(jī)構(gòu)及底座組成，4根立柱的工作阻力為8 000 kN，具有較高的主動支撐力和較大的護(hù)頂面積。前后相鄰兩架支架通過相互推拉實(shí)現(xiàn)自移行走。

圖4 自移式主動控頂強(qiáng)力液壓支架Fig.4 Positive and intensive self-advance hydraulic support

圖5為中煤科工開采研究院有限公司開發(fā)的自移式、兩柱單元支架，初撐力為5 000 kN，工作阻力可達(dá)6 500 kN。這些加強(qiáng)支護(hù)液壓支架在控制沿空留巷頂板下沉、旋轉(zhuǎn)，保持巷旁支護(hù)穩(wěn)定等方面起到重要作用。

圖5 自移式兩柱單元支架Fig.5 Self-advance unit hydraulic support with two props

此外，隨著煤礦開采深度、強(qiáng)度不斷增加，沖擊地壓巷道越來越多。針對沖擊地壓巷道圍巖變形、破壞特點(diǎn)，提出“三級”支護(hù)理念[27]，除采用錨桿、錨索及全封閉U型鋼支架外，還增設(shè)液壓抬棚、門式支架或吸能液壓支架，實(shí)現(xiàn)提高支護(hù)剛度的同時(shí)能快速吸能讓位，達(dá)到控制或減弱巷道沖擊地壓的目的[28]。

3 巷道錨固材料與構(gòu)件

3.1 錨桿

我國煤礦從1956年開始在巷道中采用錨桿支護(hù)，經(jīng)過60多年的研究與應(yīng)用取得重大進(jìn)展，已成為煤礦巷道的主體支護(hù)方式[29-30]。國內(nèi)外錨桿有多種形式[31-33]，見表5。錨桿支護(hù)構(gòu)件一般包括錨桿(桿體、托板、螺母、墊圈、錨固裝置等)及護(hù)表構(gòu)件，如圖6所示。

圖6 錨桿支護(hù)構(gòu)件Fig.6 Components of rock bolting

表5 煤礦巷道錨桿類型

制作錨桿桿體的材料包括金屬、非金屬及復(fù)合材料。金屬材料主要是圓鋼、螺紋鋼(力學(xué)性能見表6、如圖7所示)[34]，鋼管等；非金屬材料包括木材、玻璃鋼等；復(fù)合材料多是鋼材與高分子材料的復(fù)合使用。錨桿鋼材總體上經(jīng)歷了低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到超高強(qiáng)度的發(fā)展過程；桿體表面形狀也從圓鋼、建筑螺紋鋼，發(fā)展到煤礦錨桿專用的左旋無縱筋螺紋鋼。玻璃鋼錨桿是最常用的非金屬錨桿[35]，主要用于煤幫支護(hù)，便于采煤機(jī)切割。桿體材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到600～700 MPa，可制成實(shí)心、空心桿體，桿體表面制成全螺紋、粗糙表面，以提高錨桿錨固力。最近研制的大直徑玻璃鋼錨桿(直徑27 mm)，桿體拉斷力達(dá)278.3 kN，接近BHRB600型鋼錨桿的拉斷載荷。其抗剪載荷也能達(dá)到147.9 kN[36]。

表6 錨桿桿體鋼材力學(xué)性能

圖7 錨桿螺紋鋼桿體拉伸載荷-位移曲線Fig.7 Tensile load versus displacement of rock bolt rebar samples subjected to extension

錨桿錨固方式按錨固原理分為機(jī)械式錨固、摩擦式、黏結(jié)式錨固及復(fù)合式錨固，黏結(jié)式又分為水泥錨固、樹脂錨固；按錨固長度分為端部錨固、加長錨固及全長錨固；按施工方式分為卷式攪拌錨固、泵注錨固及復(fù)合錨固。

目前，樹脂加長、全長樹脂錨固高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿得到廣泛應(yīng)用，成為煤礦巷道錨桿的主要形式。樹脂錨固劑有多種規(guī)格，按凝膠時(shí)間可分為超快速、快速、中速及慢速。錨固劑直徑有23、28、35 mm等規(guī)格，長度一般為300～1 000 mm，單軸抗壓強(qiáng)度超過60 MPa，基本滿足了高強(qiáng)度錨桿錨固的要求。

此外，注漿錨桿將錨固與注漿有機(jī)結(jié)合[37]，根據(jù)圍巖條件可注水泥、高分子材料及復(fù)合漿液，為破碎圍巖巷道提供了有效的加固方法。

護(hù)表構(gòu)件包括大托板、鋼帶、鋼梁、網(wǎng)等，見表7。護(hù)表構(gòu)件可將錨桿支護(hù)組合成錨網(wǎng)、錨帶(梁)、錨帶(梁)網(wǎng)等形式，適用于不同的巷道地質(zhì)條件。

表7 護(hù)表構(gòu)件類型

錨桿支護(hù)是系統(tǒng)工程，只有各構(gòu)件的幾何形狀、參數(shù)及力學(xué)性能相互匹配，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體支護(hù)能力[38]。錨桿尾部結(jié)構(gòu)包括桿尾螺紋、托板、螺母、球型墊圈、減摩墊圈等。圖8為拱形托板的壓縮載荷與位移關(guān)系曲線。典型的托板變形過程分為5個(gè)階段：開始加載到托板底面落平、底面落平到周邊開始翹起、周邊開始翹曲到拱窩接觸底面、拱窩接觸底面到最大壓縮載荷、最大壓縮載荷至托板失效階段。托板形狀、幾何尺寸、材質(zhì)不同，導(dǎo)致托板承載能力、變形過程、變形量等存在明顯差異。螺母、球型墊圈、減摩墊圈等構(gòu)件應(yīng)與托板相互匹配，才能使錨桿處于較好的受力狀態(tài)。

圖8 錨桿托板壓縮載荷-位移曲線Fig.8 Load displacement curves of plates under compression

圖9為實(shí)驗(yàn)室模擬錨桿安裝過程中桿尾彎曲角度的變化曲線。托板與鋼帶置于凹槽上，模擬凹凸不平的圍巖表面。通過擰緊螺母給錨桿施加預(yù)緊力。隨著螺母扭矩增加，托板旋轉(zhuǎn)、桿體彎曲，而球形墊圈起調(diào)心作用，減小桿體的彎曲角度。從圖9看出，球形墊圈的調(diào)心作用在螺母扭矩比較小時(shí)明顯，當(dāng)螺母扭矩到一定值后，球形墊圈失去調(diào)心作用。球形墊圈使桿體尾部彎曲角度減少了5.5°，明顯改善了桿尾的受力狀態(tài)。此外，錨固劑應(yīng)與桿體匹配，確保錨桿-錨固劑、錨固劑-圍巖之間界面有良好的黏結(jié)性能；托板的尺寸、強(qiáng)度與剛度應(yīng)與鋼帶、鋼筋托梁、金屬網(wǎng)相匹配，避免托板壓穿鋼帶、切斷金屬網(wǎng)絲等現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致支護(hù)構(gòu)件、甚至支護(hù)系統(tǒng)失效。

圖9 錨桿尾部構(gòu)件彎曲或旋轉(zhuǎn)角度變化曲線Fig.9 Variation curves of bending or rotation angles on rock bolt end

3.2 錨索

錨索具有長度大、預(yù)應(yīng)力高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，已成為煤礦巷道錨固技術(shù)的重要組成部分。小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索是煤炭科學(xué)研究總院1996年開發(fā)的單根鋼絞線、樹脂藥卷快速錨固，適用于煤巷支護(hù)[39]。制作錨索索體的鋼絞線規(guī)格及力學(xué)性能見表8，拉伸載荷與位移曲線如圖10所示。索體可分為實(shí)心、空心，后者主要用于注漿錨索；按鋼絲結(jié)構(gòu)與數(shù)量可分為1×7、1×19結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)。最早的錨索采用1×7結(jié)構(gòu)、直徑15.2 mm的鋼絞線；后來根據(jù)煤礦巷道圍巖變形破壞的特點(diǎn)，不僅要高強(qiáng)度，而且要大延伸率，研制出1×19結(jié)構(gòu)的大直徑、高延伸率鋼絞線[40]。此外，研制出多種形式的注漿錨索用空心鋼絞線[41]，并在井下得到推廣應(yīng)用。

表8 錨索鋼絞線力學(xué)性能

圖10 錨索鋼絞線拉伸載荷-位移曲線Fig.10 Load displacement curves of steel strands for cables

4 巷道注漿加固與充填材料

4.1 注漿加固材料

注漿是指采用物理或化學(xué)方法將可固化的液體材料注入到破碎圍巖中，以改善圍巖力學(xué)性能與整體性的方法。注漿已成為巷道破碎圍巖加固的有效途徑。煤礦巷道用注漿材料有多種，見表9[42-43]。

表9 注漿材料分類

按注漿材料的性質(zhì)可將其分為3類：無機(jī)材料，以水泥基注漿材料為主，還有水玻璃漿等；有機(jī)材料，以高分子材料為主；及無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料。水泥基材料是使用很早、應(yīng)用最廣泛的注漿材料，可與黏土、粉煤灰、水玻璃及各種添加劑共同使用，獲得不同的物理力學(xué)性能。針對傳統(tǒng)水泥漿存在顆粒度大、滲透性較差、早期強(qiáng)度低、易離析和沉淀等問題，又研發(fā)出超細(xì)水泥基注漿材料[44]。該種超細(xì)水泥粒度分布達(dá)到D99≈10 μm，D50≈1.9 μm。其可注性高、能滲透到微細(xì)裂隙、黏結(jié)強(qiáng)度大，加固效果得到顯著改善。

高分子材料由于黏度低、滲透力強(qiáng)、固化速度快等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦工作面、巷道加固工程中得到廣泛應(yīng)用[45]。特別是在時(shí)間緊、工期短、超前加固等工程中更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。但高分子注漿材料也存在成本高、易著火、污染環(huán)境等問題。

無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料是注漿材料的發(fā)展方向。不僅可降低注漿材料成本，又能保留無機(jī)、有機(jī)材料的優(yōu)異性能。如煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院開發(fā)出硅酸鹽改性聚氨酯注漿材料，固化后形成聚氨酯網(wǎng)絡(luò)(有機(jī)相)—硅酸網(wǎng)絡(luò)(無機(jī)相) 三維結(jié)構(gòu)互穿網(wǎng)絡(luò)，固結(jié)體力學(xué)特性顯著提升[46]。河南理工大學(xué)開發(fā)出微納米無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿新材料[47]。水泥經(jīng)超細(xì)化加工后粒徑達(dá)到6.7 μm，比表面積為1 200 m2/kg。無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料能注入到10 μm的裂隙，6 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.8 MPa，滲透性和注漿效果得到顯著提高。同時(shí)與高分子材料相比，注漿成本大幅降低。

4.2 充填材料

巷道充填材料主要包括沿空留巷巷旁充填材料及架后充填材料。

巷旁支護(hù)是沿空留巷的核心技術(shù)，關(guān)系到沿空留巷是否成功與安全?，F(xiàn)有的沿空留巷巷旁支護(hù)類型見表10，分為柱式、垛式及墻式。其中涉及到現(xiàn)場充填的有前述的水泥、混凝土支柱，鋼管混凝土支柱[48]，及風(fēng)力或泵送混凝土、高水材料充填墻等[49-50]。對于地質(zhì)條件比較簡單、煤層厚度不大的沿空留巷，可采用柱式、垛式巷旁支護(hù)；在一般及復(fù)雜條件下，墻式巷旁支護(hù)得到廣泛應(yīng)用，充填體材料主要有混凝土、高水材料等。合理的充填墻體不僅有較高的初期和后期強(qiáng)度，而且應(yīng)有足夠的變形能力，以適應(yīng)沿空留巷頂板的下沉與旋轉(zhuǎn)，同時(shí)能夠起到隔離采空區(qū)的作用。如文獻(xiàn)[24]采用的膏體充填巷旁支護(hù)材料，充填體寬度為2.5 m，高度1.6 m，5 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)10 MPa，最終抗壓強(qiáng)度達(dá)14 MPa。井下試驗(yàn)過程中，墻體穩(wěn)定，滿足了沿空留巷的要求。

表10 沿空留巷巷旁支護(hù)類型

如前所述，架后充填是指在巷道支架與圍巖表面之間構(gòu)筑的固體墊層，以增加支架與圍巖的接觸面積，改善支架受力狀態(tài)。充填材料的類型可分為松散、膠結(jié)及可縮性材料。松散材料(矸石，砂礫等)顆粒間無黏結(jié)，松散的堆積在一起；膠結(jié)材料(石膏，水泥砂漿，混凝土，高水材料等)顆粒間彼此黏結(jié)，形成強(qiáng)度較大的固結(jié)體；可縮性材料(木材，發(fā)泡水泥，發(fā)泡高分子材料等)受壓后有較大的壓縮性。如前所述，在U型鋼可縮性支架后實(shí)施混凝土充填，顯著提高了支架承載能力和巷道支護(hù)效果。

5 結(jié)論與展望

經(jīng)過多年的研究與試驗(yàn)，我國煤礦巷道支護(hù)與加固材料取得了重大進(jìn)展。巷道支護(hù)材料實(shí)現(xiàn)了從木材、水泥、混凝土到鋼材的變革；加固材料經(jīng)歷了從黏土、水泥、高分子材料到復(fù)合材料的發(fā)展過程；形成了包括金屬材料、非金屬材料及復(fù)合材料的煤礦巷道支護(hù)與加固材料體系，支撐了巷道支護(hù)技術(shù)的歷次革命，包括從木支護(hù)到金屬支架的材料革命，被動的棚式支護(hù)到錨桿主動支護(hù)的技術(shù)革命，及單一支護(hù)方式到多種支護(hù)與加固方式協(xié)同控制的技術(shù)進(jìn)步。新材料、新產(chǎn)品的不斷開發(fā)應(yīng)用，顯著提高了巷道圍巖控制效果，降低了巷道維護(hù)成本，為煤礦實(shí)現(xiàn)安全、高效建設(shè)與生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

盡管如此，我國煤礦巷道支護(hù)與加固材料還存在不少問題，需繼續(xù)不斷研究與試驗(yàn)。

1)錨桿與錨索已成為煤礦巷道的主體支護(hù)方式，解決了一般條件巷道支護(hù)問題，但在高應(yīng)力、強(qiáng)采動、大變形、沖擊地壓等復(fù)雜困難條件下，還出現(xiàn)錨桿、錨索破斷及支護(hù)構(gòu)件失效等現(xiàn)象，不能完全滿足安全生產(chǎn)的要求。需要開發(fā)超高強(qiáng)度、大延伸率、高沖擊韌性錨桿與錨索新材料；低黏度、高強(qiáng)度、高剛度全長錨固樹脂錨固劑，及適應(yīng)于含水、破碎圍巖的新型錨固材料；根據(jù)現(xiàn)場需要，不斷開發(fā)新的錨桿、錨索形式，進(jìn)一步優(yōu)化錨桿、錨索支護(hù)構(gòu)件的幾何形狀與尺寸，提高支護(hù)構(gòu)件的匹配性；進(jìn)一步改善錨桿加工工藝，提高錨桿加工設(shè)備的精度，不斷提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。

2)工字鋼、U型鋼支架材料基本定型，在不適宜單獨(dú)采用錨桿、錨索支護(hù)的巷道中仍在使用。一方面要研究進(jìn)一步提高支架穩(wěn)定性和承載能力的技術(shù)和材料，如架后高效、低成本充填材料；另一方面進(jìn)一步開發(fā)適用于軟巖、高應(yīng)力、大變形、沖擊地壓等巷道的新結(jié)構(gòu)架型，如鋼約束混凝土支架，防沖支架等，滿足復(fù)雜困難巷道支護(hù)要求。

3) 無機(jī)、有機(jī)注漿加固材料雖然得到廣泛應(yīng)用，但不同程度地存在一些問題：水泥基材料滲透性較差、難以注入圍巖細(xì)小的裂隙中；高分子材料成本高、易著火、污染環(huán)境。需要從原材料、配比、加工工藝等方面深入研究，開發(fā)更適合煤礦巷道圍巖加固的低成本、環(huán)境友好型注漿材料，并與高壓注漿工藝與設(shè)備相配合，顯著提高圍巖注漿加固效果。目前，無機(jī)有機(jī)復(fù)合注漿材料是未來發(fā)展方向，需要重點(diǎn)突破。

4) 充填材料在巷道支護(hù)加固中應(yīng)用非常廣泛，包括沿空留巷巷旁支護(hù)，架后充填，鋼約束混凝土支架，泵充水泥、混凝土支柱等。需進(jìn)一步開發(fā)高性能、低成本、易于輸送的新型充填材料，并考慮礦井固體廢棄物的處理與利用，以不斷滿足巷道支護(hù)對充填材料的承載能力、變形能力及耐久性等方面的要求。同時(shí)，可與充填開采緊密結(jié)合，促進(jìn)綠色開采技術(shù)的推廣應(yīng)用。

5)巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)、提高成巷速度是急需解決的重大難題?，F(xiàn)有巷道支護(hù)存在工序多、施工復(fù)雜等問題，很多是手工作業(yè)，還不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化、智能化。為此，需要突破傳統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)與掘進(jìn)自動化、智能化相配套的新型巷道支護(hù)與加固材料、構(gòu)件，及新的施工工藝及裝備，以大幅提高掘進(jìn)速度與效率，減少作業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)的跨越發(fā)展。