浅谈煤矿巷道支护的发展

近几年来，随着我国煤矿开采深度的不断增加，煤矿井巷支护经历了由单一型支护技术到联合支护型技术的发展历程。煤矿早期开采阶段几乎全部是以木材作为巷道及采煤工作面的支护材料，随着新型材料的出现，开始采用混凝土或钢筋混凝土砌碹等支护形式，这些被动式支护耗费大量材料且受深度和岩性影响。随着井巷支护技术的发展演变，可将其归纳为被动式支护方式、主动式支护方式。

1.被动式支护方式

被动式支护技术是源于古典压力理论和坍落理论，认为巷道开挖后围压主要由围岩局部坍塌导致而成，而巷道的稳定主要靠围岩坍塌致使硐室形状改变后自行获得。被动式支护把围岩坍塌岩与支护分开来考虑，把围岩视作荷载，支护看作承载结构，二者之间形成“荷载—结构”体系，认为支护是为了承受由围岩所产生的荷载，无法控制围岩变形破坏的发生，只能起被动抵抗的作用。

1.1木支护方式

木支护技术主要是采用木材作为支护材料，典型的支护方式有“亲口”棚、鸭嘴棚、戴帽点柱、木垛等。木支护耗费大量木材而且受采深和岩性影响严重，因此只适用于浅部围岩，而且支护断面形状必须与围岩曲线一致，以充分发挥围岩和支护结构抗压强度大的优势，从而硬性抵抗岩体的变形压力。

1.2石材支护方式

石材支护分片石、料石两种支护方式，优点是具有抗压性好、一次成巷好、安全系数大、抗灾能力强、支架变形小和质量易保证等特点，不足之处在于初期投资高，只适用于矿井服务年限长的巷道。

1.3金属支架支护方式

金属支架支护技术主要分刚性支架支护与可缩性支架支护，其中刚性支架允许压缩变形量小，工作阻力随变形量增大而减小，直至破坏而失去工作阻力;可缩性支架允许压缩变形量大，在结构设计压缩范围内，工作阻力随压缩量大而增大，或者恒阻。金属支架支护视支架为支护体，围岩为荷载，其破坏是由于支架上弯曲力矩达到屈服极限的破坏应力所致，同时，由于支架承受侧压力和荷载的不均匀常使支架失去稳定性或可缩性而减弱或失去竖向承载能力。特别是U型钢支架支护由多段弧形构件相互叠置搭接而成，大多支护面呈拱形或环形，主要使用于松软围岩、地压大、底臌严重和两帮位移量大的开拓和采区巷道

1.4装配式钢筋混凝土支架支护方式

装配式钢筋混凝土支架支护施工技术，可以在地面工厂化预制，质量有保证且利于批量化生产和井下机械化安装，不足之处在于不能有效抵抗上覆岩层整体移动而产生的底板沉降及巷帮测压，受扭曲折断而失去支护作用。钢筋混凝土支架支护分一般钢筋混凝土支架、预应力钢筋混凝土支架。预应力钢筋混凝土支架具有抗压性好、一次成巷好、安全系数大、抗灾能力强、支架变形小和质量易保证等优点，不足之处在于初期投资高，易松动等。

1.5菱镁支架支护方式

随着新材料的推广使用，80年代研制出了菱镁支架，优点是有利于批量化生产，投资低，有利于再利用。不足之处抗压强度低、易松动等，只适用于浅部围岩完整的巷道。

2.主动式支护方式

主动式支护方式为补强式，利用围岩本身强度来维护巷道的支护方式。

2.1锚杆系列支护技术

自20世纪50年代以来，锚杆支护手段已在国外地下工程中得到了广泛应用。我国从1956年起在部分矿区先后试用该支护技术并获得良好效果。国内锚杆系列支护技术发展分为单体锚杆群支护手段、组合锚杆支护阶段、预应力锚杆支护阶段、强力锚杆支护阶段、复合支护阶段。锚杆支护原理有加固拱(挤压组合拱)作用、悬吊作用、组合梁作用、最大水平应力理论。

2.1.1单体锚杆群支护阶段

1955年—1964年，锚杆支护技术刚刚引进国内，发展尚处于萌芽阶段，以钢丝绳、水泥沙浆、木锚杆为代表，锚杆无托板，且杆体间缺乏联系。锚杆实际上只起悬吊作用，且被动承载，不与围岩共同作用。由于盲目扩大这类锚杆的应用范围，致使部分井巷冒顶失修，实际上阻碍了锚杆支护的发展。该阶段技术发展基于悬吊作用和原始楔形剪切理论等。

2.1.2组合锚杆支护阶段

随着煤矿软岩问题在各矿区的相继显现，单体锚杆群支护已很难适应复杂的地质条件，1970年—1990年期间发展了大批新型组合锚杆并在软岩巷道支护中得到应用，如水泥药卷钢筋锚杆、树脂药卷钢筋锚杆以及其他类型金属锚杆等，在锚杆尾部均有托板和螺母。松软破碎条件下还增设金属网和混凝土喷层，动压影响严重的场合则进一步增加钢带、钢架等，形成组成锚杆支护体系，并且由平面组合发展到空间组合，形成整体支护结构体系。研究表明锚杆不仅能起到悬吊作用，而且具有组合拱或组合梁作用，承载能力显著增强。组合锚杆比单体锚杆更与利于松软破碎顶板的安全维护，并发展了锚喷网、锚梁网也层出不穷。此阶段相应的支护理论有组合支撑拱理论及组合支撑梁理论等。

2.1.3预应力锚杆支护阶段

1990年后，随着锚杆支护在松软动压及大跨度巷道中得推广应用，围岩体片帮冒顶现象严重。工程中发现现有的锚杆实际上不能有效阻止围岩开裂、滑移，采用有横向预应力的管缝式锚杆和锚杆桁架，能显著改善支护效果，其代表产品或结构主要有桁架锚杆、水胀式锚杆和楔缝式、管缝式锚杆，这四类锚杆均具有良好的横向预应力和一定纵向预应力，其支护效果已为国内外矿山支护实践所证实。研究表明，当锚杆预应力高于60kN，可基本阻止巷道顶板下沉，因此研制出高强度粗直径全长锚固树脂钢筋锚杆，并在托板处增加减少摩擦的装置。理论与实践都证明，保证锚杆体系有足够的纵向和横向预紧力，才能真正发挥围岩与支护体系的最大支护力，此阶段支护理论有二次支护理论及松动圈理论等。

2.1.4强力锚杆支护阶段

近年来，随着煤矿开采深度的不断增加，地质环境日益复杂，导致突发性工程和重大恶性事故不断增加，普通锚杆常由于集中荷载的作用致使锚杆拉脱及钢带撕裂，锚杆护表作用降低，导致整体支护效果欠佳。为了从根本上改变锚杆支护材料落后这种局面，研制了锚杆专用钢材，以达到高强度和超高强度的级别。强力锚杆的杆体为左旋无纵肋螺纹段采用滚压工艺加工，强力锚杆支护系统能大幅度提高巷道初期刚度和强度，有效控制高应力巷道结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续变形，同时支护系统有足够延伸率，允许巷道围岩有较大连续变形，使围岩高应力得以释放。

锚杆支护同架棚支护相比，由于锚杆是主动支护顶板，能有效防止早期离层，大大改善了巷道的稳定状况，因此有利于巷道维护。

2.2 复合支护技术

当前，煤炭开采深度逐渐加深，以冲击地压(岩爆)、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、突水、地温升高、瓦斯突出(爆炸)等“六大工程灾害” 为代表的一系列灾害性工程事故频发，一些矿区研究并应用复合支护技术获得了成功并开发了复合支护。

复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。现行类型较多，如锚网喷、注浆加固，锚网喷、U型钢可缩性支架、锚索。锚网索喷、弧板支架，U型钢支架、注浆加固，以及锚网喷、注浆、U型钢支架等形式。选择复合支护形式时，应根据巷道围岩地质条件和生产条件，确定出合理的支护形式和参数。不同类型的软岩巷道所采用的支护形式不同。近年来，针对深部高应力巷道、受强烈采动影响的巷道和特大断面巷道等复杂困难条件，基于提高支护结构强度和适应于大变形的考虑，提出了高预应力、强力支护理论，并开发研制了强力锚杆与锚索支护材料，主要包括强力锚杆杆体和附件，强力钢带以及强力锚索。

2.2.1强力锚杆杆体材料与附件

低强度锚杆支护材料已经无法满足高应力巷道支护的要求，必须开发研制新的支护材料才能适应其要求。新开发的锚杆专用钢材可显著提高锚杆强度，其屈服强度和破断强度均较同类型锚杆高出许多，且预应力级别较高，真正实现了高预应力与高强度，以适应高应力巷道围岩变形。除强力锚杆杆体外，还配套开发出高强度螺母、高强度球形托板与球形垫圈，优选了减摩垫圈等附件。

2.2.2强力钢带

考虑到现在有型钢带抗撕裂性能差，且钢带与其它构件强度不耦合，易导致托板压入或压穿钢带，发生剪切破坏。为配合强力锚杆支护，研发出4mm—5mm的强力W钢带，其强度与刚度均有大幅度提高，组合与护表能力大大增强，同时，对钢带撕裂与托板的匹配性进行了较多研究，已基本上解决了钢带撕裂和压穿等问题。

3.结论

在煤炭市场全面开放的今天，推行巷道支护改革，对于降低原煤生产成本，提高经济效益，有着巨大的促进作用，因此我们必须对其高度重视。总的来说，井巷支护必须根据实际地质条件综合考虑开采顺序、服务年限、使用要求等因素，选择较恰当的支护方式，避免因反复维修而增加费用支出。在巷道支护不能满足安全生产的需要下，必须认真分析原因，及时进行支护改革，直到取得满意效果为止。