礦山支護技術(shù)與設備探討

發(fā)布時間： 1

　　礦山支護技術(shù)與設備探討
　　湖南第一工業(yè)設計研究院周友良
　　摘要:本文主要論述了礦山支護技術(shù)和支護設備的現(xiàn)狀、機理和發(fā)展趨勢，介紹了煤層巷道錨桿支護和回采工作面單體液壓支柱支護的現(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。
　　關(guān)鍵詞:礦山支護技術(shù);支護設備;錨桿支護;
　　1、礦山生產(chǎn)支護的重要意義
　　隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦山支護技術(shù)和支護設備也相應得到了較大的發(fā)展。礦山支護設備主要是指地下采掘過程中為維護工作面頂板安全而設計制造的支護用具，它的作用在于為井下開采各道工序如:鑿巖爆破、通風、運輸、充填等提供安全的作業(yè)環(huán)境。礦山支護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)境保護與工業(yè)衛(wèi)生、采掘成本與機械化水平。礦井支護設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，直接用于支護方面的木材每年達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、設備等，每年的直接費用達20億元人民幣以上，可見煤礦支護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設備的分析與探討，進一步了解和掌握礦山現(xiàn)行支護工藝的現(xiàn)狀與差距，分析闡述煤礦支護設備的應用、改進和發(fā)展。
　　2礦山支護設備的現(xiàn)狀和機理及發(fā)展趨勢
　　礦山支護在古老的木支柱、千式充填垛方式的基礎上，發(fā)明了用水泥頂制件砌筑的人工礦柱、機械化程度較高的注漿點柱、噴漿支護、以錨桿為主休的系列支護、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設備有木支柱、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雜和設備費用的限制，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均使用單休支護設備。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)計數(shù)字表明，我國單體液壓支柱的年需要量已達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，主要有棚式和錨桿兩種支護形式。棚式支護是依靠支架自身的強度和剛度對頂板巖層提供支護抗力起到支護作用，而錨桿支護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支護體系來支護巷道頂板。按支護機理分類:一類是被動支護或以被動為主的支護，主要有注漿點柱、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;另一類是主動支護或以主動為主的支護，主要有木垛支護、伽立克垛式支架、柔性掩護式支架、提腿式液壓支架、錨桿類支護、單體液壓支柱、水壓支柱�，F(xiàn)在，各國都在制定和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和綠色設計政策，因此，在采煤業(yè)發(fā)達的國家已逐步開始淘汰采用乳化油為介質(zhì)的支護設備，向推廣使用環(huán)保型水壓輕型支架的方向發(fā)展。
　　3礦井主要支護設備
　　3.1以錨桿為主體的系列支護
　　錨桿支護是通過錨入圍巖內(nèi)部的錨桿，改變圍巖本身的力學狀態(tài)，在巷道周圍形成一個整休而又穩(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，主動支護，有效改善礦井的支護狀況，具有施工簡單方便、效率高、成本低、速度快、支護效果好等特點，已經(jīng)普遍推廣應用。它不但普遍應用在巖石巷道中，而且在煤層巷道中也在逐步推廣應用。一般認為，普通錨桿支護適用地點應滿足以下條件:
　　(1)頂板完整，無偽頂或偽頂(復合層)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，錨桿不能很好地護住頂板，很難達到頂期支護效果。如果頂板復合層較厚，直接頂又不是以砂巖為主，采用錨桿支護的巷道到一定時問后將發(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，首先錨桿支護強度達不到，其次，易片幫也會使巷道成型差。
　　(3)巷道服務年限在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年限在10年以上時，應噴漿或用混凝土進行封閉。防止巷道起皮脫落(風化)。
　　隨著錨桿支護在我國井下巷道使用范圍的擴大，錨桿支護在理論上也不斷發(fā)展，在井下的具體應用中，由于地質(zhì)條件的變化和礦山壓力的影響，支護效果存在很大差異。因此，如何根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇安全、可靠、經(jīng)濟的支護形式和結(jié)構(gòu)，十分重要。
　　錨桿類支護是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一類有效支護方法，錨桿支護理論的研究與發(fā)展，大大推進了錨桿支護技術(shù)的推廣與應用。錨桿支護工作機理提出的觀點較多，如早期的懸吊理論、組合梁理論,20世紀80年代至90年代的圍巖加固理論、組合拱理淪，以及世紀之交的擴容一穩(wěn)定理論等。錨桿支護發(fā)展到現(xiàn)在，人們已經(jīng)認識到錨桿的作用機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)，提高其自身強度和承載能力，實現(xiàn)圍巖自穩(wěn)，達到控制圍巖進一步變形的目的。由于錨桿，特別是金屬錨桿桿體與巖石、煤體力學性質(zhì)相差懸殊，其延伸率遠大于
　　巖石、煤體的延伸率。如果錨桿支護不及時或錨桿初錨力不足，則在錨桿尚未達到屈服強度時巖體已經(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及時性、主動性的特點，成為一種被動支護，若錨桿再不能錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi)，就徹底失去了支護的作用。因此，錨桿在巷道掘出后應及時安裝并施加足夠大的頂緊力，有效地對圍巖施加徑向約束，使巖石承受份維應力作用，從而提高巖體的承載強度，提高錨桿與次生承載層支護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、高強復合竹錨桿等。錨桿支護在我國的礦山、鐵道及水利等地下工程中推廣一應用的就有幾十種，有松軟圍巖巷道錨注加固，復合頂煤巷錨帶網(wǎng)加錨索聯(lián)合支護，綜放順槽采用錨桿錨索聯(lián)合支護，管縫錨桿錨噴支護，樹脂錨桿錨網(wǎng)支護和高強度螺紋鋼錨桿加錨索支護等，其中之一的噴錨支護應用尤為廣泛，一批礦山和隧道工程采用緊跟工作面的噴錨支護實現(xiàn)了全部支護噴錨化，做到了“無坑木掘進”等先進的工藝水平。但是，隨著礦井支護技術(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大。因此，錨桿類支護設備的組合懸吊作用，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，在礦井支護機理與支護方式上也對傳統(tǒng)的礦井支護設備提出了挑戰(zhàn)。生產(chǎn)實踐證明，以錨桿為主體的系列支護不是萬能的，更新更高的支護設備和支護方法正應運而生。
　　3.2單體液壓支柱
　　單體液壓支柱是回采工作面支護產(chǎn)品，是高檔普采工作面的配套支護設備。我國的單體液壓支柱是20世紀70年代從德國引進的技術(shù)，經(jīng)過近30年的應用與研究，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支護設備，年使用量達百萬根以上，在很大程度上控制了過去由于礦井支護設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)是機油，其結(jié)構(gòu)類似一個油壓千斤頂，升柱靠手動，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)復雜，初撐力小且不均勻，生產(chǎn)成本高，勞動強度大等缺點，除用于打點柱等工況外，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，類似一個油(汽)缸，升柱靠外部供液管路系統(tǒng)(包括液壓泵站)，動力介質(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行初撐，在頂板來壓或卸載時，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。重復工作時，再用乳化液泵站的壓力液進行初撐，依次循環(huán)。由于其初撐力是靠泵站的壓力進行初撐，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強度，因此外注式單休液壓支柱得到了廣泛的應用。
　　參考文獻
　　[1]陳宏.水介質(zhì)單休液壓支柱的開發(fā)與應用[J].煤礦安全，2003(1):27-28.
　　[2]李寧.DZ型外注式單休液壓支柱的結(jié)構(gòu)特點及管理措施[J].煤礦機械，2004(7):113-114.
　　[3]章忠良關(guān)于錨桿支護的幾點認識[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2004(4):49-51.
　　通信地址：湖南省長沙市芙蓉區(qū)新軍路3號湖南第一工業(yè)設計研究院周友良
　　郵政騙碼：410011