摘要：推行巷道支護(hù)改革，對于降低原煤生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，有著巨大的促進(jìn)作用，本文就煤礦巷道支護(hù)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：煤礦;巷道支護(hù);新型材料

近幾年來，隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，煤礦井巷支護(hù)經(jīng)歷了由單一型支護(hù)技術(shù)到聯(lián)合支護(hù)型技術(shù)的發(fā)展歷程。煤礦早期開采階段幾乎全部是以木材作為巷道及采煤工作面的支護(hù)材料，隨著新型材料的出現(xiàn)，開始采用混凝土或鋼筋混凝土砌碹等支護(hù)形式，這些被動式支護(hù)耗費(fèi)大量材料且受深度和巖性影響。隨著井巷支護(hù)技術(shù)的發(fā)展演變，可將其歸納為被動式支護(hù)方式、主動式支護(hù)方式。

1.被動式支護(hù)方式

被動式支護(hù)技術(shù)是源于古典壓力理論和坍落理論，認(rèn)為巷道開挖后圍壓主要由圍巖局部坍塌導(dǎo)致而成，而巷道的穩(wěn)定主要靠圍巖坍塌致使硐室形狀改變后自行獲得。被動式支護(hù)把圍巖坍塌巖與支護(hù)分開來考慮，把圍巖視作荷載，支護(hù)看作承載結(jié)構(gòu)，二者之間形成“荷載—結(jié)構(gòu)”體系，認(rèn)為支護(hù)是為了承受由圍巖所產(chǎn)生的荷載，無法控制圍巖變形破壞的發(fā)生，只能起被動抵抗的作用。

1.1木支護(hù)方式

木支護(hù)技術(shù)主要是采用木材作為支護(hù)材料，典型的支護(hù)方式有“親口”棚、鴨嘴棚、戴帽點(diǎn)柱、木垛等。木支護(hù)耗費(fèi)大量木材而且受采深和巖性影響嚴(yán)重，因此只適用于淺部圍巖，而且支護(hù)斷面形狀必須與圍巖曲線一致，以充分發(fā)揮圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度大的優(yōu)勢，從而硬性抵抗巖體的變形壓力。

1.2石材支護(hù)方式

石材支護(hù)分片石、料石兩種支護(hù)方式，優(yōu)點(diǎn)是具有抗壓性好、一次成巷好、安全系數(shù)大、抗災(zāi)能力強(qiáng)、支架變形小和質(zhì)量易保證等特點(diǎn)，不足之處在于初期投資高，只適用于礦井服務(wù)年限長的巷道。

1.3金屬支架支護(hù)方式

金屬支架支護(hù)技術(shù)主要分剛性支架支護(hù)與可縮性支架支護(hù)，其中剛性支架允許壓縮變形量小，工作阻力隨變形量增大而減小，直至破壞而失去工作阻力;可縮性支架允許壓縮變形量大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計壓縮范圍內(nèi)，工作阻力隨壓縮量大而增大，或者恒阻。金屬支架支護(hù)視支架為支護(hù)體，圍巖為荷載，其破壞是由于支架上彎曲力矩達(dá)到屈服極限的破壞應(yīng)力所致，同時，由于支架承受側(cè)壓力和荷載的不均勻常使支架失去穩(wěn)定性或可縮性而減弱或失去豎向承載能力。特別是U型鋼支架支護(hù)由多段弧形構(gòu)件相互疊置搭接而成，大多支護(hù)面呈拱形或環(huán)形，主要使用于松軟圍巖、地壓大、底臌嚴(yán)重和兩幫位移量大的開拓和采區(qū)巷道

1.4裝配式鋼筋混凝土支架支護(hù)方式

裝配式鋼筋混凝土支架支護(hù)施工技術(shù)，可以在地面工廠化預(yù)制，質(zhì)量有保證且利于批量化生產(chǎn)和井下機(jī)械化安裝，不足之處在于不能有效抵抗上覆巖層整體移動而產(chǎn)生的底板沉降及巷幫測壓，受扭曲折斷而失去支護(hù)作用。鋼筋混凝土支架支護(hù)分一般鋼筋混凝土支架、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支架。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支架具有抗壓性好、一次成巷好、安全系數(shù)大、抗災(zāi)能力強(qiáng)、支架變形小和質(zhì)量易保證等優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于初期投資高，易松動等。

1.5菱鎂支架支護(hù)方式

隨著新材料的推廣使用，80年代研制出了菱鎂支架，優(yōu)點(diǎn)是有利于批量化生產(chǎn)，投資低，有利于再利用。不足之處抗壓強(qiáng)度低、易松動等，只適用于淺部圍巖完整的巷道。

2.主動式支護(hù)方式

主動式支護(hù)方式為補(bǔ)強(qiáng)式，利用圍巖本身強(qiáng)度來維護(hù)巷道的支護(hù)方式。

2.1錨桿系列支護(hù)技術(shù)

自20世紀(jì)50年代以來，錨桿支護(hù)手段已在國外地下工程中得到了廣泛應(yīng)用。我國從1956年起在部分礦區(qū)先后試用該支護(hù)技術(shù)并獲得良好效果。國內(nèi)錨桿系列支護(hù)技術(shù)發(fā)展分為單體錨桿群支護(hù)手段、組合錨桿支護(hù)階段、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)階段、強(qiáng)力錨桿支護(hù)階段、復(fù)合支護(hù)階段。錨桿支護(hù)原理有加固拱(擠壓組合拱)作用、懸吊作用、組合梁作用、最大水平應(yīng)力理論。

2.1.1單體錨桿群支護(hù)階段

1955年—1964年，錨桿支護(hù)技術(shù)剛剛引進(jìn)國內(nèi)，發(fā)展尚處于萌芽階段，以鋼絲繩、水泥沙漿、木錨桿為代表，錨桿無托板，且桿體間缺乏聯(lián)系。錨桿實際上只起懸吊作用，且被動承載，不與圍巖共同作用。由于盲目擴(kuò)大這類錨桿的應(yīng)用范圍，致使部分井巷冒頂失修，實際上阻礙了錨桿支護(hù)的發(fā)展。該階段技術(shù)發(fā)展基于懸吊作用和原始楔形剪切理論等。

2.1.2組合錨桿支護(hù)階段

隨著煤礦軟巖問題在各礦區(qū)的相繼顯現(xiàn)，單體錨桿群支護(hù)已很難適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，1970年—1990年期間發(fā)展了大批新型組合錨桿并在軟巖巷道支護(hù)中得到應(yīng)用，如水泥藥卷鋼筋錨桿、樹脂藥卷鋼筋錨桿以及其他類型金屬錨桿等，在錨桿尾部均有托板和螺母。松軟破碎條件下還增設(shè)金屬網(wǎng)和混凝土噴層，動壓影響嚴(yán)重的場合則進(jìn)一步增加鋼帶、鋼架等，形成組成錨桿支護(hù)體系，并且由平面組合發(fā)展到空間組合，形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。研究表明錨桿不僅能起到懸吊作用，而且具有組合拱或組合梁作用，承載能力顯著增強(qiáng)。組合錨桿比單體錨桿更與利于松軟破碎頂板的安全維護(hù)，并發(fā)展了錨噴網(wǎng)、錨梁網(wǎng)也層出不窮。此階段相應(yīng)的支護(hù)理論有組合支撐拱理論及組合支撐梁理論等。

2.1.3預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)階段

1990年后，隨著錨桿支護(hù)在松軟動壓及大跨度巷道中得推廣應(yīng)用，圍巖體片幫冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重。工程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的錨桿實際上不能有效阻止圍巖開裂、滑移，采用有橫向預(yù)應(yīng)力的管縫式錨桿和錨桿桁架，能顯著改善支護(hù)效果，其代表產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)主要有桁架錨桿、水脹式錨桿和楔縫式、管縫式錨桿，這四類錨桿均具有良好的橫向預(yù)應(yīng)力和一定縱向預(yù)應(yīng)力，其支護(hù)效果已為國內(nèi)外礦山支護(hù)實踐所證實。研究表明，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力高于60kN，可基本阻止巷道頂板下沉，因此研制出高強(qiáng)度粗直徑全長錨固樹脂鋼筋錨桿，并在托板處增加減少摩擦的裝置。理論與實踐都證明，保證錨桿體系有足夠的縱向和橫向預(yù)緊力，才能真正發(fā)揮圍巖與支護(hù)體系的最大支護(hù)力，此階段支護(hù)理論有二次支護(hù)理論及松動圈理論等。

2.1.4強(qiáng)力錨桿支護(hù)階段

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，地質(zhì)環(huán)境日益復(fù)雜，導(dǎo)致突發(fā)性工程和重大惡性事故不斷增加，普通錨桿常由于集中荷載的作用致使錨桿拉脫及鋼帶撕裂，錨桿護(hù)表作用降低，導(dǎo)致整體支護(hù)效果欠佳。為了從根本上改變錨桿支護(hù)材料落后這種局面，研制了錨桿專用鋼材，以達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度的級別。強(qiáng)力錨桿的桿體為左旋無縱肋螺紋段采用滾壓工藝加工，強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)能大幅度提高巷道初期剛度和強(qiáng)度，有效控制高應(yīng)力巷道結(jié)構(gòu)面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等不連續(xù)變形，同時支護(hù)系統(tǒng)有足夠延伸率，允許巷道圍巖有較大連續(xù)變形，使圍巖高應(yīng)力得以釋放。

錨桿支護(hù)同架棚支護(hù)相比，由于錨桿是主動支護(hù)頂板，能有效防止早期離層，大大改善了巷道的穩(wěn)定狀況，因此有利于巷道維護(hù)。

2.2 復(fù)合支護(hù)技術(shù)

當(dāng)前，煤炭開采深度逐漸加深，以沖擊地壓(巖爆)、礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道圍巖大變形、突水、地溫升高、瓦斯突出(爆炸)等“六大工程災(zāi)害” 為代表的一系列災(zāi)害性工程事故頻發(fā)，一些礦區(qū)研究并應(yīng)用復(fù)合支護(hù)技術(shù)獲得了成功并開發(fā)了復(fù)合支護(hù)。

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。現(xiàn)行類型較多，如錨網(wǎng)噴、注漿加固，錨網(wǎng)噴、U型鋼可縮性支架、錨索。錨網(wǎng)索噴、弧板支架，U型鋼支架、注漿加固，以及錨網(wǎng)噴、注漿、U型鋼支架等形式。選擇復(fù)合支護(hù)形式時，應(yīng)根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件，確定出合理的支護(hù)形式和參數(shù)。不同類型的軟巖巷道所采用的支護(hù)形式不同。近年來，針對深部高應(yīng)力巷道、受強(qiáng)烈采動影響的巷道和特大斷面巷道等復(fù)雜困難條件，基于提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和適應(yīng)于大變形的考慮，提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，并開發(fā)研制了強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)材料，主要包括強(qiáng)力錨桿桿體和附件，強(qiáng)力鋼帶以及強(qiáng)力錨索。

2.2.1強(qiáng)力錨桿桿體材料與附件

低強(qiáng)度錨桿支護(hù)材料已經(jīng)無法滿足高應(yīng)力巷道支護(hù)的要求，必須開發(fā)研制新的支護(hù)材料才能適應(yīng)其要求。新開發(fā)的錨桿專用鋼材可顯著提高錨桿強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度和破斷強(qiáng)度均較同類型錨桿高出許多，且預(yù)應(yīng)力級別較高，真正實現(xiàn)了高預(yù)應(yīng)力與高強(qiáng)度，以適應(yīng)高應(yīng)力巷道圍巖變形。除強(qiáng)力錨桿桿體外，還配套開發(fā)出高強(qiáng)度螺母、高強(qiáng)度球形托板與球形墊圈，優(yōu)選了減摩墊圈等附件。

2.2.2強(qiáng)力鋼帶

考慮到現(xiàn)在有型鋼帶抗撕裂性能差，且鋼帶與其它構(gòu)件強(qiáng)度不耦合，易導(dǎo)致托板壓入或壓穿鋼帶，發(fā)生剪切破壞。為配合強(qiáng)力錨桿支護(hù)，研發(fā)出4mm—5mm的強(qiáng)力W鋼帶，其強(qiáng)度與剛度均有大幅度提高，組合與護(hù)表能力大大增強(qiáng)，同時，對鋼帶撕裂與托板的匹配性進(jìn)行了較多研究，已基本上解決了鋼帶撕裂和壓穿等問題。

3.結(jié)論

在煤炭市場全面開放的今天，推行巷道支護(hù)改革，對于降低原煤生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，有著巨大的促進(jìn)作用，因此我們必須對其高度重視�？偟膩碚f，井巷支護(hù)必須根據(jù)實際地質(zhì)條件綜合考慮開采順序、服務(wù)年限、使用要求等因素，選擇較恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式，避免因反復(fù)維修而增加費(fèi)用支出。在巷道支護(hù)不能滿足安全生產(chǎn)的需要下，必須認(rèn)真分析原因，及時進(jìn)行支護(hù)改革，直到取得滿意效果為止。

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