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煤巷支护技术发展及展望

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：邓二春

[导读] 摘要：在我国快速发展过程中，煤矿行业在我国发展十分迅速，煤炭资源的开发主要采用地下开采形式，需进行大量地下巷道的开掘，而保证巷道稳定性对矿井安全生产至关重要。

        安徽淮南潘集区潘三矿安徽淮南 232000
        摘要：在我国快速发展过程中，煤矿行业在我国发展十分迅速，煤炭资源的开发主要采用地下开采形式，需进行大量地下巷道的开掘，而保证巷道稳定性对矿井安全生产至关重要。对井下不同类型的围岩变形巷道的支护形式进行了介绍。煤矿实践表明，目前虽然中国煤矿支护型以岩锚支护为主，但在围岩软弱破碎等条件恶劣情况下，组合支护由于耦合单一支护的优势，围岩控制效果更佳。在特定开采条件下，型钢支护、注浆加固等也不可或缺。总体来说，多种支护手段的协同发展为地下煤矿施工开采提供了安全可靠的巷道控制途径，有力促进了煤矿安全生产。
        关键词：煤矿开采；煤巷支护；岩锚支护；安全生产
        引言
        如今在煤矿行业快速掘进工作开展过程中使用范围最为广泛的一种技术就是锚杆支护技术，在煤巷支护中最一开始使用的技术是木支护技术，随着社会的不断进步和经济的快速发展，支护技术也得到了十分长足的发展，经过了不断地创新和发展之后，锚杆支护技术开始逐渐兴起并且得到了十分广泛地应用，锚杆支护技术和其他类型的支护技术相比来说，在提高支护质量效果、增进支护技术和减少工作人员的劳动压力和负担等多个方面有着很大的优势，因此在煤矿快速掘进过程中应用锚杆支护技术有着十分重要的现实意义，但是也存在着很多的问题和不足，需要相关技术人员进行不断地创新和完善。
        1大断面矩形煤巷围岩的变形特征
        大断面矩形煤巷由于开挖、支护方便，断面利用率高，能满足大型设备和人员运输通行的需求，已经被各大矿山广泛应用。但由于煤巷围岩本身就比较松软，再加上断面较大，造成围岩变形特别严重，维护困难，经常发生顶板事故，所以非常有必要对大断面矩形煤巷的破坏规律进行研究。巷道开挖前，岩体处于原岩应力状态中，保持着三向应力平衡。通过多项研究表明：巷道开挖后，围岩的应力会向四周转移，造成围岩径向应力减小和切向应力增加。径向应力的减小使围岩使由三向应力状态转化为了单向或双向应力状态，造成围岩强度的降低。如果降低后的围岩强度仍大于集中的切向应力，那么围岩将保持稳定，但当围岩强度下降到低于集中的切向应力时，围岩将发生破坏。围岩将由边界向深处分为破裂区、塑性区和原岩应力区。
        2煤巷支护技术发展
        2.1可屈服型钢支护
        可屈服型钢支护按形状可分为拱型、梯形型和圆形型三种。在中国煤矿中应用最广泛的可屈服型钢支护是U形钢支护。当受到强应力时，U形钢自身的特性有助于重叠部分收缩。连接元件是使型钢支护屈服的关键部件。钢骨架在收缩时还能使自身保持一定的强度，可通过自身变形使围岩释放一定量的应力，同时自身强度还能确保巷道围岩稳定。可屈服梯型支护与可屈服拱型支护相比，力学性能较差。但在一定条件下仍有以下优点：顶板无损伤，断面利用率高，结构简单，加工运输方便。在水平应力不高、巷道断面较小的情况下，可采用屈服梯型支护。可屈服圆支座可以形成一个封闭环，既能提高其承载力，又能有效地抑制底鼓。
        2.2自移式迈步支架支护
        自移式迈步这种支护方式在液压系统的帮助下实现了自动向前移动。临时支护的机械自动化程度得到了提升，其优点在于：可以与巷道的掘进工作同时进行大大缩减了工作人员的劳动程度。但是，这种支护方式的支架设计繁杂，支架庞大不易挪动，并不适用于所有的巷道，在较小的空间内，无法实现自动移动，严重时会成为巷道掘进过程中的障碍物。无法适应于煤层凹凸不平的状况，不时会有局部冒落，支架难以移动的状况发生。除此之外，该支护方式没有设置护帮模式，无法应对巷道两侧出现的形变。而这些会影响到巷道内掘进的速度，上述情况一旦发生，就会严重影响掘进的速度。因此，目前只能应用于地质情况较好的巷道之中。

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        2.3混凝土永久支护技术
        混凝土永久支护技术能够提高围岩的稳定性，但这一技术的应用却对施工操作水平有着一定要求，并且需要在支护过程中协调好各方面工作。需要针对混凝土锚杆实施喷射处理，利用混凝土喷射设备进行喷射，在喷射前还需要对混凝土的制备配比等进行严格控制，从而保证混凝土浆液的质量，通常水泥配比需要在400kg/m3左右，之后进行拌和。混凝土喷射处理时，还要选取合理的喷射设备，调整好锚杆型号，确保锚杆能够满足支护施工要求。混凝土喷射还需要确保喷射的强度，一般都需要喷射多次、反复喷射，从而保证支护的效果。混凝土永久支护技术的运用必须提前做好地质勘察，了解矿区的地质环境特征，结合具体的地质条件信息来改善支护方案，利用围岩本身的承载力来提高支护成效。在混凝土喷射过程中，还要调整好喷射面积和喷头的间距，确保混凝土的均匀喷射，这也需要操作人员具备足够的操作水平，混凝土喷射装备的喷头不可以对准人员，同时还需要做好一系列安全防护措施，如口罩和手套，保证施工的安全性。在混凝土喷射完成后，混凝土本身需要一定时间凝结，在凝结期间便需要对其进行养护。一般需要进行洒水处理，避免结构出现裂缝现象，洒水需要持续进行28d左右，期间还要对混凝土周边温湿度进行监控，避免温度湿度变化对混凝土结构带来的影响，进而提高混凝土凝结质量，保证支护成效。
        2.4联合支护
        在复杂围岩条件下，有时候单一的巷道支护形式在控制巷道变形时容易失效，而采用联合支护的方式，可同时使用两种或者更多中支护手段的支护方法，通过各支护技术的耦合作用则可以有效控制围岩。1）锚杆支护和注浆当巷道围岩破碎时单采用锚杆支护很难达到良好的支护效果，通常与注浆相结合保持巷道的稳定性。锚杆与注浆相结合进行巷道支护的方式有两种：先对巷道破碎围岩进行注浆加固，再采用锚杆和锚索支护；注浆与锚固同时进行，采用管状注浆螺栓，既可作为注浆管注浆，也可作为注浆锚固的螺栓，该种组合支护可有效解决巷道破碎围岩的支护问题。2）锚杆与钢支架锚杆与钢支架的组合支护方式主要运用在条件复杂的巷道支护。该支护方式采用锚杆加工字钢梁进行巷道的二次支护，能够有效解决大跨度断面变形的问题，减少巷道顶板下沉量。
        2.5光面爆破技术
        从1960年后，我国逐渐试验推广预裂爆破及光面爆破技术，经10年左右发展，该技术已广泛地应用于水利、地下建筑和煤矿开采中。在统一的应用光面爆破技术与锚喷支护技术后，煤矿煤巷工程技术已日趋完善。保障了煤矿开采工作的施工安全与质量，掘进速度有大幅提升，工人体力消耗和材料损耗也相应的得到了降低，因此经济效益和社会效益都得到了提高。近年来，光爆锚喷支护技术广泛地应用于煤炭开采行业，并取得了惊人的效果。首先是因为机械化普及，使人力成本降低，工作效率大幅提升。其次，使用光爆锚喷技术技术可以有效地降低围岩发生松动、破坏和位移的概率，安全性得到了提升；最后，成本损耗也有所下降。光面爆破技术本质就是应用独特的装药构造，调整合理的光爆参数和起爆顺序，实现了平滑的岩石壁面开掘。
        结语
        虽然中国煤矿支护型以岩锚支护为主，但在围岩软弱破碎等条件恶劣情况下组合支护由于耦合单一支护的优势，围岩控制效果显著。巷道围岩复杂时可采用型钢支护和注浆加固等方式。发展的新型钢支护形式如混凝土填充钢管支撑、具有主动沉降力的型钢支护，在破碎围岩变形控制时不可或缺。虽然在巷道支护技术方面已经取得了一定的成果和发展，但在今后的研究中仍有很多工作要做。
        参考文献：
        ［1］侯朝炯.深部巷道围岩控制的关键技术研究［J］.中国矿业大学学报，2017，46（5）：970-978.
        ［2］陆士良，汤摇雷，杨新安.锚杆锚固力与锚固技术［M］.北京：煤炭工业出版社，1998.
        ［3］何满潮.中国煤矿锚杆支护理论与实践［M］.北京：科学出版社，2004.