煤巷支护技术发展及展望

贾文峰

（中煤第一建设有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

在煤矿井下，为了满足运输、通风和矿工行走的需要，需要大量的巷道掘进。根据相关统计，2019 年中国井工煤矿产量占全国煤炭产量的85%[1]。井工煤矿安全生产关系着全国的煤炭生产，其中井工煤矿的巷道稳定性对煤矿安全生产至关重要。

随着矿井开采深度变深、地质条件复杂程度增加，巷道支护难度也在不断增加[2]。在极其松软破碎的岩石中掘进巷道时，经常发生顶板坍塌和两帮剥落，围岩变形对各种影响和扰动（如风、水、地震、采矿活动等）十分敏感。在高产高效或甲烷排放高的工作面，综采工作制已逐渐取代普采工作制，工作面数量以及掘进速度大大增加，每个工作面的巷道基本在3 个以上。煤层联合布置时，该区域大巷在长期服务期间受多次采动影响会发生严重变形和破坏[3]。

目前虽对支护做了大量的研究实践，仍然缺乏指导现场工程技术人员选择和应用合适的支护方法的文献。因此本文对井下特殊地质条件下的巷道支护进行了研究，对厚层软弱顶板，破碎围岩、地质条件发育成熟，高深度大断面巷道及相邻巷道强烈扰动等恶劣开采条件下的巷道支护方法进行了系统分析研究和总结，以期为地下煤矿的巷道支护提供指导和借鉴。

1 锚杆支护

1.1 锚杆支护理论

在悬吊、组合梁和加固拱等支护理论基础上，人们提出了巷道周围破碎带的理论和围岩强度增强理论。这些理论的应用主要包括以下三种作用模式：被动悬挂岩石破碎带，在锚固区形成一些如叠合梁、承压拱、结合层等新的组合承载结构体，提高锚固区力学性能和应力状态。

1.2 锚杆设计方法

康红普等[4]根据巷道围岩特性，提出了动态、数字化的锚杆改良技术。这种技术有两个明显的特点：螺栓采用动态设计，非一次性成型；充分利用了各个时期收集的信息。初始设计采用数值模拟和经验法则来确定合适的参数，然后根据初始设计进行井下实践，对巷道位移和锚杆荷载进行详细监测，并根据监测数据对初始设计进行验证或修改。

1.3 锚杆支护结构

中国煤矿井工巷道支护一般采用锚喷支护[5]。在设计锚杆支护系统时，不同构件之间的相互配合对整体锚杆支护性能至关重要。板材与螺母，树脂胶皮与螺栓，带、网与螺栓螺纹钢等强度性能相匹配。高预紧度、超高强度的螺栓应配以高强度的拱形板、高强度螺母、高效的耐磨垫圈、高强度大覆盖面积的W 形带、高强度高刚度的金属丝网。

2 型钢支护

型钢支护是除了锚杆外，中国煤矿巷道支护的另一种重要类型，但型钢支护不能提供主动的沉降力来控制巷道周围岩石的初始变形和破坏。

因此，型钢支护仅适用于某些复杂情况下的巷道，如软岩巷道和破碎岩巷道的锚固性能差等不能满足锚固要求的巷道、巷道被含水软化和膨胀岩石包围的巷道、受高应力和蠕变影响的深部巷道、遭受强烈采矿干扰和挤压围岩的巷道、近距离联合布置时以采空区的底板为顶板煤层巷道等。总体来说，在围岩结构发育成熟、巷道扰动严重等开采条件恶劣的巷道中，型钢支护仍然是首选。

2.1 刚性支护

刚性支护本身是不屈服的，或微屈服的。只有当钢架撞击地面时，钢架连接处的木块才会变形，钢架发生偏转，出现有限位移，因此刚性支座适用于位移较小的巷道。

刚性拱有多种形式，如拱顶梁与两梯形支腿支承、拱顶梁与两圆弧支腿支承、拱顶梁与两直支腿支承，分别适用于不同的巷道条件。封闭支座应用不广泛，适用于承受高应力的主要巷道。

2.2 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[6]。

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。

2.3 钢支护的新发展

近年来发展起来的新型钢支护形式由混凝土填充钢管支撑，具有主动沉降力的型钢支护。

2.3.1 钢管支护

填充混凝土钢管支护由钢管和混凝土制成。向钢管中灌入混凝土，待混凝土凝固后增加整体强度，凝固的混凝土在钢管中受力时处于三向应力状态，大大提高了混凝土的强度，因此填充混凝土钢管的承载能力大大提高[7]。

2.3.2 具有主动沉降力的钢支护

传统的钢支护都属于被动支承形式，不像预紧锚杆和锚索那样能控制岩石的初始分离和破坏。因此，一些研究人员开发了主动钢支护。该种支护形式有利于控制巷道初始变形。主动钢支护的耦合单元可以改善和平衡荷载分布不均匀的现象，改善U 形钢支架的受力状态，提高承载力[8]。

3 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。

3.1 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[9]。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[10]。

3.2 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[11]。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。

4 结论和展望

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。