煤矿井巷支护技术的发展历程及现状分析

随着开采深度的增加，煤矿巷道支护经历了由单一支护技术向组合多筋支护技术的发展过程。煤炭开采初期，巷道及采煤工作面的支护材料几乎全部采用木材，随着钢筋混凝土的出现，开始采用混凝土或钢筋混凝土衬砌等支护形式。这些传统支护木材消耗量大，且受开采深度、岩性影响严重。随着生产矿井开采深度的增加和地质条件复杂的新矿床的开发，对地下矿井巷道支护提出了更高的要求，金属支护技术和锚杆系列支护技术相继得到发展。国内外广泛应用的U型钢金属支护技术，是20世纪30年代由联邦德国发明并应用于矿山生产，我国从20世纪60年代初开始引进此项技术。 至1985年，非木质支护的直接供煤矿的巷道长度约占全部支护巷道总长度的75.4%。锚杆由Alfred Busch于1912年发明并应用，至20世纪50年代，锚杆支护技术已在各国地下工程中得到广泛应用。国际上对锚杆串联支护技术研究最多的是美国和澳大利亚，已成为其巷道支护的主要形式，锚杆支护率均在90%以上。英国于1987年从澳大利亚引进先进的锚杆支护技术，经过近6年的实践，其锚杆支护率由零提高到80%以上，成为锚杆支护发展中的后起之秀。在西欧、中欧的一些主要产煤国家，早期巷道主要采用金属支架支护。随着巷道维护难度的增大和支护成本的增加，锚杆支护也开始得到积极发展。 自1956年起，木锚、金属锚和砂浆锚在淮南、开滦、阜新、抚顺、鹤壁等矿区试行，取得良好效果。以后，得到大力发展和广泛应用。1994年，国有重点煤矿巷道总进尺5234.7km，其中半煤岩、煤巷锚杆进尺831.57km，占20%，岩巷锚杆进尺653.3km，占58.8%。目前，煤炭开采已进入临界深度以下，并逐步向地质条件复杂的含煤地层延伸。 一些矿区成功采用复合支护技术，形成了强有力的支护体系，实现了高刚度、高强度、高可靠性、低支护密度的“三高一低”支护设计理念，大大提高了巷道布置在时间、空间上的自主性，对缓解煤炭采掘紧张局面具有重要意义。

依据井巷支护技术的发展演变，可概括为传统支护技术、金属支架支护技术、锚杆串联支护技术和复合支护技术四大类。

1.传统支护技术

传统支护技术主要采用木材或钢筋混凝土作为支护材料，分为支护和衬砌两大类。支护是指临时保护围岩的结构，衬砌是指永久性加固围岩的结构。传统支护技术基于经典压力理论和塌陷拱理论，认为隧道开挖后的围压主要由围岩局部塌陷引起，隧道的稳定性主要由围岩塌陷引起洞室形状改变后自行获得。传统支护将围岩与支护分开考虑，将围岩视为荷载，将支护视为承载结构，两者之间形成“荷载-结构”体系。认为支护是承受围岩产生的荷载，无法控制围岩变形破坏的发生，只能起到被动抗力作用。传统支护消耗大量木材，受开采深度和岩石性质影响较大。 它只适用于浅埋围岩，且支护截面形状须与围压曲线相一致，以充分发挥围岩和支护结构抗压强度高的优势，刚性抵抗岩体的变形压力。

2金属支撑技术

金属支架技术主要分为刚性支架和可伸缩支架。刚性支架允许压缩变形较小，工作阻力随变形的增加而减小，直至破坏而失去工作阻力。可伸缩支架允许压缩变形较大，在结构设计压缩范围内，工作阻力随压缩量的增加而增大，或为恒定阻力。金属支架将支架作为支撑体，将围岩作为荷载，它的破坏是由于支架上弯矩达到屈服极限的破坏应力引起的。同时，由于支架上受到的侧压力和荷载不均匀，支架往往会失去稳定性或可伸缩性，削弱或失去其垂直承载能力。

刚性支架特别是弧板支架，采用超高强混凝土施工技术，在地面工厂预制，井下机械化拼装，形成全封闭、密集连续的高强度钢筋混凝土板结构，主要适用于高应力破碎围岩巷道的支护。其最大优点是地面预制，质量有保证，利于井下批量生产和机械化安装。缺点是不能抵抗上覆岩层整体移动引起的巷道底板沉降和侧压，因扭曲、断裂而失去支护作用。伸缩支架特别是U型钢支架，是由多段弧形构件搭接拼装而成，支护面大多呈拱形或环形，主要适用于围岩松软、地压大、底鼓严重、两侧移动量大的开拓采区巷道。 其优点是抗压性能好、巷道一次性成巷好、安全系数大、抗灾能力强、支架变形小、质量容易保证。缺点是初投资高、搭接处易收缩、铁卡易坍塌或松动。国内使用初期U型钢支架失效的关键是支架强度低，而支架强度低的主要原因是支架与围岩接触不良，支架空顶、空边现象严重，受力状况差，承载力没有得到充分利用。研究表明，提高支架强度的有效途径是对U型钢支架实施高质量的回填。

3 锚杆系列支护技术

自20世纪50年代以来，锚杆支护技术在各国地下工程中得到广泛应用，我国从1956年开始在一些矿区试行这种支护技术，取得了良好的效果。国内锚杆系列支护技术的发展大致可分为单锚群支护阶段、组合锚杆支护阶段、预应力锚杆支护阶段和强锚杆支护阶段。

（1）单锚群支护阶段1955—1964年期间，锚杆支护技术刚刚传入我国，发展尚处于起步阶段，以钢丝绳、水泥砂浆锚杆为代表，锚杆无支撑板，杆体间无连接，实际只起悬挂作用，处于被动承载状态，不与围岩共同作用。由于该类锚杆应用范围盲目扩大，导致一些矿井、巷道因顶板冒顶而失修，实际上阻碍了锚杆支护的发展。此阶段技术发展以悬挂理论和原有的楔形剪切理论为基础。

（2）组合锚杆支护阶段由于各大采区煤矿软岩问题日渐突出，单一锚杆群支护已难以适应复杂的地质条件。1970～1990年代期间，大量新型组合锚杆被开发应用在软岩巷道支护中，如水泥包覆钢筋锚杆、树脂包覆钢筋锚杆及其他类型的金属锚杆。锚杆尾部设有支撑板和螺母，在软弱破碎情况下加设金属网、混凝土喷射层，在动压严重的场合，进一步加设钢带、钢梯或钢架，组成组合锚杆支护体系。它已由平面组合发展到空间组合，形成整体支护结构体系。研究表明，锚杆不仅能起悬吊作用，而且具有组合拱或组合梁的作用，承载力明显增强。组合锚杆比单一锚杆更有利于软弱破碎顶板的安全支护。 锚喷网、锚梁网、锚带网等多种组合锚支护形式相继在矿山支护实践中得到发展并得到广泛应用，锚杆更加具体的用途和结构形式也不断涌现，此阶段相应的支护理论有组合支护拱理论、组合支护梁理论等。

（3）预应力锚杆支护阶段。1990年以来，随着锚杆支护技术在软弱动压、大跨度隧道中的推广应用，围岩体片裂、顶板垮塌现象愈发严重。工程应用发现，非预应力锚杆实际上并不能有效阻止围岩的开裂、滑动和弱化，而张紧锚网、锚带，采用横向预应力管缝锚杆和锚桁架，可明显提高支护效果。其代表产品或结构主要有桁架锚杆、水扩锚杆和缝管锚杆。这三类锚杆均具有良好的横向预应力和一定的纵向预应力，其支护效果已被国内外矿井支护实践所证实。研究表明，当锚杆预应力高于60kN时，基本可以防止隧道顶板下沉。 因此研制了高强度、大直径（φ25mm）全长锚固树脂钢筋锚杆，并在支护板上增设减摩装置。理论和实践都证明，只有保证锚杆系统有足够的纵向和横向预紧力，才能真正发挥其主动支护作用，发挥围岩和支护系统的最大支护力。现阶段的支护理论有二次支护理论、松散圈理论等。

（4）强锚支护阶段近年来，随着煤炭开采深度的不断增加，地质环境更加复杂，导致突发工程灾害和重大事故增多。普通锚杆经常因集中荷载而发生拉脱、钢带撕裂等现象，使锚杆对表面的保护作用降低，导致整体支护效果差。为从根本上改变锚杆支护材料落后的局面，研制了专用锚杆钢材，达到高强度、超高强度水平。强锚杆杆体设计为左旋无纵肋螺纹钢筋，公称直径为φ18～φ25mm，杆尾螺纹段采用滚压技术加工。强锚杆支护体系可大幅度提高巷道初始刚度和强度，有效控制高应力巷道结构面的分层、滑移、裂缝张开、新裂缝产生等不连续变形。 同时支护系统具有足够的伸长量，使巷道围岩能有较大的连续变形，从而使围岩的高应力得到释放。

锚杆支护与棚架支护相比，由于锚杆对顶板是一种主动支护，可以有效防止早期脱层，大大提高巷道的稳定性，便于巷道维护。与工字钢棚架支护相比，锚杆支护可降低支护费用30%左右，维护费用降低30%～50%，有利于提高工作面的单产和效益。河北省 ...

4 复合支护技术

目前，煤炭开采逐步向更深深度延伸，以冲击地压（岩爆）、严重矿压、巷道围岩大变形、突水、地温升高、瓦斯突出（爆炸）等“六大工程灾害”为代表的一系列灾难性工程事故频发，部分矿区已成功研究应用复合支护技术，形成了强力支护体。

复合支护是采用两种或两种以上支护方式对隧道进行联合支护，目前有多种类型，如锚网喷+注浆加固、锚网喷+U型钢伸缩支护+锚索、锚网喷+弧板支护、U型钢支护注浆加固、锚网喷+注浆+U型钢支护等。选择复合支护形式时，应根据隧道围岩地质情况和生产条件确定合理的支护形式及参数。不同类型的软岩隧道采用的支护形式如表1所示。

表1 不同类型软岩巷道支护原则及支护方案

近年来，针对深埋高应力隧道、强采动隧道、特大断面隧道等复杂困难条件，基于提高支护结构强度、适应大变形考虑，提出了高预应力强力支护理论，研发生产了强力锚杆、锚索支护材料，主要有强力锚杆体及附件、强力钢带、强力锚索等。

（1）强锚杆材料及配件传统的低强度锚杆支护材料已不能满足高应力隧道支护要求，必须开发新型支护材料。新开发的锚杆专用钢可明显提高锚杆强度，其屈服强度和破断强度远高于同类钢材，预应力水平较高，真正实现了高预应力、高强度，如表2所示。同时，杆体具有较高的伸长率，以适应高应力隧道围岩的变形。除强锚杆杆体外，还开发了高强度螺母、高强度拱形支护板和球面垫圈，选用减摩垫圈等配件。

表2 强锚钢力学性能

（2）强力钢带考虑到现有钢带抗撕裂性能差，且钢带强度与其他构件强度不耦合，容易发生支板压入或穿透钢带，造成剪切破坏。为配合强力锚固支护，研制了厚度为4～5mm的强力W钢带，其强度、刚度有较大提高，结合能力和表面防护能力也有较大增强。同时，对钢带与支板的配合进行了大量的研究，基本解决了钢带撕裂、穿透问题。

（3）强锚索针对现有锚索应用过程中出现的锚端滑移、锚索断缆、顶板滑移脱层严重等一系列问题，研发出了系列大直径、大吨位锚索，为高应力隧道等复杂困难条件提供了有效的支护加固手段。

5. 当前支持的问题

软岩支护技术作为重大科技攻关课题研究已有近30年历史，无论是理论研究还是施工实践都取得了丰硕的成果，其支护体系基本解决了我国煤矿软岩巷道支护问题，但在理论技术、设计施工、配套设备等方面还存在一些问题，有待进一步解决。

（1）支护技术推广不力目前，真正掌握先进支护技术、按照软岩规律进行支护的矿区只有少数，大多数矿区还处于经验性支护状态。因此，大多数煤矿企业在遇到软岩问题时，总是采用一般支护技术来应对，然后进行多次修复、无限制地增加支护刚度，造成每年数亿元的经济损失。造成这种情况的主要原因是科研院所的科技成果与生产、基建单位的工程技术人员严重脱节。

（2）地质资料不足，工程规范陈旧 基建设计所采用的地质勘探、工程勘察报告难以满足设计人员对软岩巷道支护施工的要求，特别是膨胀性软岩的工程地质资料严重不足，软岩支护正处于发展阶段；现有的工程规范过于陈旧，特别是对多巷道支护和深层支护的要求较高。

（3）基础理论研究不足目前，软岩的变形力学基本明确，多种支护技术也已发展应用于实际，但还缺少较为可信的理论来指导软岩支护实践，特别是对深部高应力强膨胀复合岩体强采后流变时间效应、支护与围岩相互作用机理等问题，仍需深入研究。

（4）试验方法不足。目前岩石力学研究中使用的力学模型大多基于假设条件，少部分是基于近似模拟，与现场实际情况相差甚远。因此，无法肯定基于这些模型设计的支护体系和支护参数能够保证不稳定或极不稳定围岩隧道的稳定。其原因并非计算方法不足，而是试验方法不能满足现场测试的要求，无法建立基本符合现场实际情况的力学模型。因此，需要加强软岩地应力测试方法的研究。

（5）支护形式需多样化。我国煤矿软岩地质条件复杂多变，煤炭开采迅速向深部转移，高应力、强膨胀、节理复合岩体均已出现。此类大变形巷道的支护形式需进一步研究，实现支护形式多样化，对症下药。

（6）支护理念需统一。考虑到国内大部分煤矿企业对进尺都有要求，且与工人工资直接挂钩，推广新型矿山支护技术对施工标准和工艺要求严格，在保证正常进尺的同时满足各项设计要求难度较大。与矿区现有支护相比，新技术的应用成本和前期投入较高，试验大多存在风险。因此，软岩巷道支护设计，特别是科研院所给出的方案，需要结合矿区实际情况，才能更好地促进新技术的推广和实施。