礦山支護(hù)技術(shù)與設(shè)備探討
　　湖南第一工業(yè)設(shè)計(jì)研究院周友良
　　摘要:本文主要論述了礦山支護(hù)技術(shù)和支護(hù)設(shè)備的現(xiàn)狀、機(jī)理和發(fā)展趨勢，介紹了煤層巷道錨桿支護(hù)和回采工作面單體液壓支柱支護(hù)的現(xiàn)狀，指出了單體液壓支柱存在的問題，提出了研制新型和環(huán)保型單體液壓支柱的觀點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞:礦山支護(hù)技術(shù);支護(hù)設(shè)備;錨桿支護(hù);
　　1、礦山生產(chǎn)支護(hù)的重要意義
　　隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦山支護(hù)技術(shù)和支護(hù)設(shè)備也相應(yīng)得到了較大的發(fā)展。礦山支護(hù)設(shè)備主要是指地下采掘過程中為維護(hù)工作面頂板安全而設(shè)計(jì)制造的支護(hù)用具，它的作用在于為井下開采各道工序如:鑿巖爆破、通風(fēng)、運(yùn)輸、充填等提供安全的作業(yè)環(huán)境。礦山支護(hù)直接涉及到采煤作業(yè)的安全、效率、消耗量(特別是木材、鋼材的大宗消耗)、環(huán)境保護(hù)與工業(yè)衛(wèi)生、采掘成本與機(jī)械化水平。礦井支護(hù)設(shè)備所占地下采掘生產(chǎn)成本比例較大，就我國煤炭工業(yè)而言，直接用于支護(hù)方面的木材每年達(dá)400萬m左右，鋼材近50萬t，水泥約300萬t，加上各種制成品、專用工具、設(shè)備等，每年的直接費(fèi)用達(dá)20億元人民幣以上，可見煤礦支護(hù)的投入及其對安全生產(chǎn)的影響從來都是關(guān)系到礦山企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營的頭等大事。本文希望通過對礦井支護(hù)設(shè)備的分析與探討，進(jìn)一步了解和掌握礦山現(xiàn)行支護(hù)工藝的現(xiàn)狀與差距，分析闡述煤礦支護(hù)設(shè)備的應(yīng)用、改進(jìn)和發(fā)展。
　　2礦山支護(hù)設(shè)備的現(xiàn)狀和機(jī)理及發(fā)展趨勢
　　礦山支護(hù)在古老的木支柱、千式充填垛方式的基礎(chǔ)上，發(fā)明了用水泥頂制件砌筑的人工礦柱、機(jī)械化程度較高的注漿點(diǎn)柱、噴漿支護(hù)、以錨桿為主休的系列支護(hù)、摩擦式金屬支柱、鉸接頂架、可縮性支架、梯形礦用工字鋼支架、柔性掩護(hù)支架、提腿式液壓支柱、單休液壓支柱等。目前回采工作面使用的支護(hù)設(shè)備有木支柱、單休金屬摩擦支柱、單休液壓支柱及液壓支架等。由于我國煤層賦存情況復(fù)雜和設(shè)備費(fèi)用的限制，除少數(shù)煤礦使用液壓支架外，大部分回采工作面的頂板支護(hù)均使用單休支護(hù)設(shè)備。單休液壓支柱初撐力大而且均勻，能保證支柱的恒增阻降距，因此其使用數(shù)量逐年增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，我國單體液壓支柱的年需要量已達(dá)100萬根以上，成為世界上使用單體液壓支柱最多的國家�；夭上锏兰绊敯逯ёo(hù)，主要有棚式和錨桿兩種支護(hù)形式。棚式支護(hù)是依靠支架自身的強(qiáng)度和剛度對頂板巖層提供支護(hù)抗力起到支護(hù)作用，而錨桿支護(hù)則主要是利用錨桿將巷道周邊巖體加固，使錨桿與所錨固范圍內(nèi)的巖體共同組成一個(gè)支護(hù)體系來支護(hù)巷道頂板。按支護(hù)機(jī)理分類:一類是被動(dòng)支護(hù)或以被動(dòng)為主的支護(hù)，主要有注漿點(diǎn)柱、混凝土垛類人工支柱、摩擦式金屬支柱、鉸接頂架、梯形礦用工字鋼;另一類是主動(dòng)支護(hù)或以主動(dòng)為主的支護(hù)，主要有木垛支護(hù)、伽立克垛式支架、柔性掩護(hù)式支架、提腿式液壓支架、錨桿類支護(hù)、單體液壓支柱、水壓支柱�，F(xiàn)在，各國都在制定和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和綠色設(shè)計(jì)政策，因此，在采煤業(yè)發(fā)達(dá)的國家已逐步開始淘汰采用乳化油為介質(zhì)的支護(hù)設(shè)備，向推廣使用環(huán)保型水壓輕型支架的方向發(fā)展。
　　3礦井主要支護(hù)設(shè)備
　　3.1以錨桿為主體的系列支護(hù)
　　錨桿支護(hù)是通過錨入圍巖內(nèi)部的錨桿，改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，在巷道周圍形成一個(gè)整休而又穩(wěn)定的巖石帶，加固圍巖，保持圍巖的完整性和穩(wěn)定性，控制圍巖變形、位移和裂隙的發(fā)展，充分發(fā)揮圍巖自身的支承作用，主動(dòng)支護(hù)，有效改善礦井的支護(hù)狀況，具有施工簡單方便、效率高、成本低、速度快、支護(hù)效果好等特點(diǎn)，已經(jīng)普遍推廣應(yīng)用。它不但普遍應(yīng)用在巖石巷道中，而且在煤層巷道中也在逐步推廣應(yīng)用。一般認(rèn)為，普通錨桿支護(hù)適用地點(diǎn)應(yīng)滿足以下條件:
　　(1)頂板完整，無偽頂或偽頂(復(fù)合層)較薄(1.0m以下)，直接頂以砂巖為主的巖巷。如果頂板不完整、裂隙較多，錨桿不能很好地護(hù)住頂板，很難達(dá)到頂期支護(hù)效果。如果頂板復(fù)合層較厚，直接頂又不是以砂巖為主，采用錨桿支護(hù)的巷道到一定時(shí)問后將發(fā)生變化(離層)
　　(2)巷道兩幫煤巖節(jié)理不發(fā)育，不易片幫。如果煤、巖質(zhì)松軟、易片幫，首先錨桿支護(hù)強(qiáng)度達(dá)不到，其次，易片幫也會(huì)使巷道成型差。
　　(3)巷道服務(wù)年限在10年以內(nèi)，兩幫壓力不是很大的巷道。主要巷道或巷道服務(wù)年限在10年以上時(shí)，應(yīng)噴漿或用混凝土進(jìn)行封閉。防止巷道起皮脫落(風(fēng)化)。
　　隨著錨桿支護(hù)在我國井下巷道使用范圍的擴(kuò)大，錨桿支護(hù)在理論上也不斷發(fā)展，在井下的具體應(yīng)用中，由于地質(zhì)條件的變化和礦山壓力的影響，支護(hù)效果存在很大差異。因此，如何根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)形式和結(jié)構(gòu)，十分重要。
　　錨桿類支護(hù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一類有效支護(hù)方法，錨桿支護(hù)理論的研究與發(fā)展，大大推進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。錨桿支護(hù)工作機(jī)理提出的觀點(diǎn)較多，如早期的懸吊理論、組合梁理論,20世紀(jì)80年代至90年代的圍巖加固理論、組合拱理淪，以及世紀(jì)之交的擴(kuò)容一穩(wěn)定理論等。錨桿支護(hù)發(fā)展到現(xiàn)在，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到錨桿的作用機(jī)理重在改善圍巖的受力狀態(tài)，通過對圍巖施加巷道徑向約束，將巷道開挖后圍巖的二向受力狀態(tài)重新轉(zhuǎn)化為徑向受力狀態(tài)，提高其自身強(qiáng)度和承載能力，實(shí)現(xiàn)圍巖自穩(wěn)，達(dá)到控制圍巖進(jìn)一步變形的目的。由于錨桿，特別是金屬錨桿桿體與巖石、煤體力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，其延伸率遠(yuǎn)大于
　　巖石、煤體的延伸率。如果錨桿支護(hù)不及時(shí)或錨桿初錨力不足，則在錨桿尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)巖體已經(jīng)發(fā)生很大變形甚至斷裂破壞，造成圍巖的自承能力極大地降低或喪失，就不能形成次生承載層與錨桿組成支護(hù)體系，在這種情況下，錨桿只起到懸吊作用，就完全失去了錨桿支護(hù)及時(shí)性、主動(dòng)性的特點(diǎn)，成為一種被動(dòng)支護(hù)，若錨桿再不能錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi)，就徹底失去了支護(hù)的作用。因此，錨桿在巷道掘出后應(yīng)及時(shí)安裝并施加足夠大的頂緊力，有效地對圍巖施加徑向約束，使巖石承受份維應(yīng)力作用，從而提高巖體的承載強(qiáng)度，提高錨桿與次生承載層支護(hù)體系的整體承載能力。目前煤巷中使用的金屬錨桿有:WTD錨桿、鋼筋砂漿錨桿、樹脂錨桿、快硬膨脹水泥錨桿、管縫錨桿及錨索等。非金屬錨桿有:普通木錨桿、壓縮木錨桿、普通竹錨桿、高強(qiáng)復(fù)合竹錨桿等。錨桿支護(hù)在我國的礦山、鐵道及水利等地下工程中推廣一應(yīng)用的就有幾十種，有松軟圍巖巷道錨注加固，復(fù)合頂煤巷錨帶網(wǎng)加錨索聯(lián)合支護(hù)，綜放順槽采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，管縫錨桿錨噴支護(hù)，樹脂錨桿錨網(wǎng)支護(hù)和高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿加錨索支護(hù)等，其中之一的噴錨支護(hù)應(yīng)用尤為廣泛，一批礦山和隧道工程采用緊跟工作面的噴錨支護(hù)實(shí)現(xiàn)了全部支護(hù)噴錨化，做到了“無坑木掘進(jìn)”等先進(jìn)的工藝水平。但是，隨著礦井支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，非煤礦山中，礦床開采中傳統(tǒng)的礦房礦柱的概念正在被打破，以礦體為回采單元，一步驟連續(xù)開采技術(shù)已成為當(dāng)今地下開采的發(fā)展方向。礦房跨度已不是過去那種概念，它可以是幾百米甚至幾千米，巖體變形范圍不斷擴(kuò)大。因此，錨桿類支護(hù)設(shè)備的組合懸吊作用，擠壓加固作用等漸漸消失，使之不能充分滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。此外，深井地壓的顯現(xiàn)規(guī)律與淺表有明顯的差別，在礦井支護(hù)機(jī)理與支護(hù)方式上也對傳統(tǒng)的礦井支護(hù)設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，以錨桿為主體的系列支護(hù)不是萬能的，更新更高的支護(hù)設(shè)備和支護(hù)方法正應(yīng)運(yùn)而生。
　　3.2單體液壓支柱
　　單體液壓支柱是回采工作面支護(hù)產(chǎn)品，是高檔普采工作面的配套支護(hù)設(shè)備。我國的單體液壓支柱是20世紀(jì)70年代從德國引進(jìn)的技術(shù)，經(jīng)過近30年的應(yīng)用與研究，技術(shù)已日臻成熟，到目前為莊，已成為我國煤炭工業(yè)地下開采最主要的采場臨時(shí)支護(hù)設(shè)備，年使用量達(dá)百萬根以上，在很大程度上控制了過去由于礦井支護(hù)設(shè)備落后造成的冒頂事故。單體液壓支柱按注液方式分為內(nèi)注式和外注式兩種，在其上設(shè)有份用閥控制支柱的工作循環(huán)過程。內(nèi)注式單體液壓支柱使用的工作介質(zhì)是機(jī)油，其結(jié)構(gòu)類似一個(gè)油壓千斤頂，升柱靠手動(dòng)，它依靠油缸內(nèi)裝入的液壓油在內(nèi)部循環(huán)工作，這種支柱由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初撐力小且不均勻，生產(chǎn)成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，除用于打點(diǎn)柱等工況外，一般不再使用，因此使用量很少。外注式單體液壓支柱結(jié)構(gòu)比較簡單，類似一個(gè)油(汽)缸，升柱靠外部供液管路系統(tǒng)(包括液壓泵站)，動(dòng)力介質(zhì)是含1%-2%的M10或MDT乳化油的乳化液。它依靠乳化液泵站輸出的壓力液進(jìn)行初撐，在頂板來壓或卸載時(shí)，通過份用閥上的安全閥或卸載閥使乳化液外泄到采煤工作面內(nèi)，支柱下降。重復(fù)工作時(shí)，再用乳化液泵站的壓力液進(jìn)行初撐，依次循環(huán)。由于其初撐力是靠泵站的壓力進(jìn)行初撐，工作面的支柱初撐力均勻，保證了回采A作面的頂板平整和安全，也減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此外注式單休液壓支柱得到了廣泛的應(yīng)用。
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