矿山支护技术与设备探讨

　　矿山支护技术与设备探讨
　　湖南第一工业设计研究院周友良
　　摘要:本文主要论述了矿山支护技术和支护设备的现状、机理和发展趋势，介绍了煤层巷道锚杆支护和回采工作面单体液压支柱支护的现状，指出了单体液压支柱存在的问题，提出了研制新型和环保型单体液压支柱的观点。
　　关键词:矿山支护技术;支护设备;锚杆支护;
　　1、矿山生产支护的重要意义
　　随着煤炭工业的发展，矿山支护技术和支护设备也相应得到了较大的发展。矿山支护设备主要是指地下采掘过程中为维护工作面顶板安全而设计制造的支护用具，它的作用在于为井下开采各道工序如:凿岩爆破、通风、运输、充填等提供安全的作业环境。矿山支护直接涉及到采煤作业的安全、效率、消耗量(特别是木材、钢材的大宗消耗)、环境保护与工业卫生、采掘成本与机械化水平。矿井支护设备所占地下采掘生产成本比例较大，就我国煤炭工业而言，直接用于支护方面的木材每年达400万m左右，钢材近50万t，水泥约300万t，加上各种制成品、专用工具、设备等，每年的直接费用达20亿元人民币以上，可见煤矿支护的投入及其对安全生产的影响从来都是关系到矿山企业正常生产经营的头等大事。本文希望通过对矿井支护设备的分析与探讨，进一步了解和掌握矿山现行支护工艺的现状与差距，分析阐述煤矿支护设备的应用、改进和发展。
　　2矿山支护设备的现状和机理及发展趋势
　　矿山支护在古老的木支柱、千式充填垛方式的基础上，发明了用水泥顶制件砌筑的人工矿柱、机械化程度较高的注浆点柱、喷浆支护、以锚杆为主休的系列支护、摩擦式金属支柱、铰接顶架、可缩性支架、梯形矿用工字钢支架、柔性掩护支架、提腿式液压支柱、单休液压支柱等。目前回采工作面使用的支护设备有木支柱、单休金属摩擦支柱、单休液压支柱及液压支架等。由于我国煤层赋存情况复杂和设备费用的限制，除少数煤矿使用液压支架外，大部分回采工作面的顶板支护均使用单休支护设备。单休液压支柱初撑力大而且均匀，能保证支柱的恒增阻降距，因此其使用数量逐年增加。统计数字表明，我国单体液压支柱的年需要量已达100万根以上，成为世界上使用单体液压支柱最多的国家。回采巷道及顶板支护，主要有棚式和锚杆两种支护形式。棚式支护是依靠支架自身的强度和刚度对顶板岩层提供支护抗力起到支护作用，而锚杆支护则主要是利用锚杆将巷道周边岩体加固，使锚杆与所锚固范围内的岩体共同组成一个支护体系来支护巷道顶板。按支护机理分类:一类是被动支护或以被动为主的支护，主要有注浆点柱、混凝土垛类人工支柱、摩擦式金属支柱、铰接顶架、梯形矿用工字钢;另一类是主动支护或以主动为主的支护，主要有木垛支护、伽立克垛式支架、柔性掩护式支架、提腿式液压支架、锚杆类支护、单体液压支柱、水压支柱。现在，各国都在制定和实施可持续发展倡议和绿色设计政策，因此，在采煤业发达的国家已逐步开始淘汰采用乳化油为介质的支护设备，向推广使用环保型水压轻型支架的方向发展。
　　3矿井主要支护设备
　　3.1以锚杆为主体的系列支护
　　锚杆支护是通过锚入围岩内部的锚杆，改变围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整休而又稳定的岩石带，加固围岩，保持围岩的完整性和稳定性，控制围岩变形、位移和裂隙的发展，充分发挥围岩自身的支承作用，主动支护，有效改善矿井的支护状况，具有施工简单方便、效率高、成本低、速度快、支护效果好等特点，已经普遍推广应用。它不但普遍应用在岩石巷道中，而且在煤层巷道中也在逐步推广应用。一般认为，普通锚杆支护适用地点应满足以下条件:
　　(1)顶板完整，无伪顶或伪顶(复合层)较薄(1.0m以下)，直接顶以砂岩为主的岩巷。如果顶板不完整、裂隙较多，锚杆不能很好地护住顶板，很难达到顶期支护效果。如果顶板复合层较厚，直接顶又不是以砂岩为主，采用锚杆支护的巷道到一定时问后将发生变化(离层)
　　(2)巷道两帮煤岩节理不发育，不易片帮。如果煤、岩质松软、易片帮，首先锚杆支护强度达不到，其次，易片帮也会使巷道成型差。
　　(3)巷道服务年限在10年以内，两帮压力不是很大的巷道。主要巷道或巷道服务年限在10年以上时，应喷浆或用混凝土进行封闭。防止巷道起皮脱落(风化)。
　　随着锚杆支护在我国井下巷道使用范围的扩大，锚杆支护在理论上也不断发展，在井下的具体应用中，由于地质条件的变化和矿山压力的影响，支护效果存在很大差异。因此，如何根据不同地质条件选择安全、可靠、经济的支护形式和结构，十分重要。
　　锚杆类支护是近几十年来迅速发展起来的一类有效支护方法，锚杆支护理论的研究与发展，大大推进了锚杆支护技术的推广与应用。锚杆支护工作机理提出的观点较多，如早期的悬吊理论、组合梁理论,20世纪80年代至90年代的围岩加固理论、组合拱理沦，以及世纪之交的扩容一稳定理论等。锚杆支护发展到现在，人们已经认识到锚杆的作用机理重在改善围岩的受力状态，通过对围岩施加巷道径向约束，将巷道开挖后围岩的二向受力状态重新转化为径向受力状态，提高其自身强度和承载能力，实现围岩自稳，达到控制围岩进一步变形的目的。由于锚杆，特别是金属锚杆杆体与岩石、煤体力学性质相差悬殊，其延伸率远大于
　　岩石、煤体的延伸率。如果锚杆支护不及时或锚杆初锚力不足，则在锚杆尚未达到屈服强度时岩体已经发生很大变形甚至断裂破坏，造成围岩的自承能力极大地降低或丧失，就不能形成次生承载层与锚杆组成支护体系，在这种情况下，锚杆只起到悬吊作用，就完全失去了锚杆支护及时性、主动性的特点，成为一种被动支护，若锚杆再不能锚固到稳定岩层内，就彻底失去了支护的作用。因此，锚杆在巷道掘出后应及时安装并施加足够大的顶紧力，有效地对围岩施加径向约束，使岩石承受份维应力作用，从而提高岩体的承载强度，提高锚杆与次生承载层支护体系的整体承载能力。目前煤巷中使用的金属锚杆有:WTD锚杆、钢筋砂浆锚杆、树脂锚杆、快硬膨胀水泥锚杆、管缝锚杆及锚索等。非金属锚杆有:普通木锚杆、压缩木锚杆、普通竹锚杆、高强复合竹锚杆等。锚杆支护在我国的矿山、铁道及水利等地下工程中推广一应用的就有几十种，有松软围岩巷道锚注加固，复合顶煤巷锚带网加锚索联合支护，综放顺槽采用锚杆锚索联合支护，管缝锚杆锚喷支护，树脂锚杆锚网支护和高强度螺纹钢锚杆加锚索支护等，其中之一的喷锚支护应用尤为广泛，一批矿山和隧道工程采用紧跟工作面的喷锚支护实现了全部支护喷锚化，做到了“无坑木掘进”等先进的工艺水平。但是，随着矿井支护技术的发展，非煤矿山中，矿床开采中传统的矿房矿柱的概念正在被打破，以矿体为回采单元，一步骤连续开采技术已成为当今地下开采的发展方向。矿房跨度已不是过去那种概念，它可以是几百米甚至几千米，岩体变形范围不断扩大。因此，锚杆类支护设备的组合悬吊作用，挤压加固作用等渐渐消失，使之不能充分满足生产实际要求。此外，深井地压的显现规律与浅表有明显的差别，在矿井支护机理与支护方式上也对传统的矿井支护设备提出了挑战。生产实践证明，以锚杆为主体的系列支护不是万能的，更新更高的支护设备和支护方法正应运而生。
　　3.2单体液压支柱
　　单体液压支柱是回采工作面支护产品，是高档普采工作面的配套支护设备。我国的单体液压支柱是20世纪70年代从德国引进的技术，经过近30年的应用与研究，技术已日臻成熟，到目前为庄，已成为我国煤炭工业地下开采最主要的采场临时支护设备，年使用量达百万根以上，在很大程度上控制了过去由于矿井支护设备落后造成的冒顶事故。单体液压支柱按注液方式分为内注式和外注式两种，在其上设有份用阀控制支柱的工作循环过程。内注式单体液压支柱使用的工作介质是机油，其结构类似一个油压千斤顶，升柱靠手动，它依靠油缸内装入的液压油在内部循环工作，这种支柱由于其内部结构复杂，初撑力小且不均匀，生产成本高，劳动强度大等缺点，除用于打点柱等工况外，一般不再使用，因此使用量很少。外注式单体液压支柱结构比较简单，类似一个油(汽)缸，升柱靠外部供液管路系统(包括液压泵站)，动力介质是含1%-2%的M10或MDT乳化油的乳化液。它依靠乳化液泵站输出的压力液进行初撑，在顶板来压或卸载时，通过份用阀上的安全阀或卸载阀使乳化液外泄到采煤工作面内，支柱下降。重复工作时，再用乳化液泵站的压力液进行初撑，依次循环。由于其初撑力是靠泵站的压力进行初撑，工作面的支柱初撑力均匀，保证了回采A作面的顶板平整和安全，也减轻了工人的劳动强度，因此外注式单休液压支柱得到了广泛的应用。
　　参考文献
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　　[2]李宁.DZ型外注式单休液压支柱的结构特点及管理措施[J].煤矿机械，2004(7):113-114.
　　[3]章忠良关于锚杆支护的几点认识[J].矿业安全与环保,2004(4):49-51.
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