关键词：高强支护；技术原理；方案设计；应用分析；煤矿采掘
引言：
煤矿企业的地下采掘作业过程中，在采动应力以及地应力的作用下，巷道围岩因原有的整体结构被破坏，必然会发生变形、破碎岩体脱落、裂隙扩大等一系列变化，对处于巷道内的作业人员与设备构成威胁。因此设计有效的支护措施来控制围岩变形与巷道内壁的收缩，预防岩体崩、塌顶板冒落等事件的发生，是维持煤矿企业正常生产的基础。
一、煤矿采掘中的支护技术
（一）支护技术原理与方法
由于煤矿采掘会扰动地下原本相对稳定的岩体结构，而且会由于爆破等掘进技术的应用破坏围岩的整体性，加之地层构造当中存在断层、裂隙以及力学性能较差的松散岩土结构，给生产安全带来多方面的隐患。如果不能根据巷道围岩结构、岩性以及周边地质构造特点采取有效的防护措施，不仅无法取得理想的掘进效率，还极易发生各类常见的煤矿安全事故。支护技术便是应这一特殊的生产环境需要诞生的，早期的煤矿企业在进行地下煤层开采时，大多就地取材并利用木材做为支护材料，以支架等结构形式达到支撑和固定巷道围岩的目的。而随着煤矿开采深度逐渐变大，巷道围岩岩性、地应力、地下水文与工程地质条件也越来越复杂，对巷道支护体系的承载力与可靠性的要求越来越高。因此普遍采用喷射混凝土进行初次支护施工，利用其凝结与固化作用，第一时间稳定围岩结构，降低其变形幅度和散碎岩石崩落的可能性。进而利用木质或型钢支架等进行二次支护，根据生产需要形成临时或永久支护结构。近年来煤炭消耗量持续快速增长，使得煤矿企业的采掘深度普遍大于1km，因而地下巷道的结构、围岩岩性以及地质环境日渐复杂，上述支护方式施工效率低、需要频繁给予维护的弊端越发突出，导致煤炭企业的生产安全与经济性都得不到足够保障。因此以锚杆支护技术为核心的高强支护技术被引入国内，经过近二十年的的实践应用以及不断探索改进，目前已经成为了主流的支护技术。
（二）支护理论发展概述
由于煤矿采掘进程会遇到千变万化的地质环境，工作面处煤层分布、围岩岩性以及地下水文、地应力等影响围岩稳定性的因素各不相同，需要依据科学的理论来计算和设计支护系统。目前学界将常见的支护理论分为四个类型，首先是做为锚喷支护体系设计依据的新奥法，根据围岩在因采掘作业被扰动和破坏之后的变形过程特点，采用边掘进边进行混凝土喷射的方式固化巷道内壁，待其固化达到一定强度再进行二次支护施工[1]。其次是基于松动圈理论，分析巷道围岩的完整性被人为破坏之后的变形过程，利用支架等结构支撑破碎岩体并使其具有足够稳定性。再次是强化围岩理论，既通过支护体系施工，增强围岩的整体承载力，改善其内部的应力分布，使之重新达到应力平衡状态，目前最常用的锚杆支护技术便是依据这一理论发展而来的。最后是联合支护理论，采用的策略是控制围岩的变形过程，通过精确评估、调整其内部应力的重新分配，使其在经历破坏、变形和再次稳定后达到理想状态，保障采掘作业的安全。
二、高强支护技术理论与技术类型
（一）概述
传统支护技术不仅在可靠性与承载力方面逐渐无法满足煤矿采掘需要，而且由于煤矿生产作业强度高，环境当中存在腐蚀性介质等因素，使得支护系统结构寿命受到明显影响，无论是钢材、木材还是混凝土，都需要进行较为频繁的加固、更换或保养，才能保障围岩稳定性与采掘作业安全。因此在高强支护技术的研究领域，一方面致力于提升支护材料、结构的力学性能与使用寿命，使其能够具备理想的承载力并且能够与围岩形成更紧密的结合，除了加固其结构还起到传递荷载与优化应力分布的作用。另一方面则改进支护系统的施工工艺，使其安装、维护更加便捷和高效，从而保障采掘作业的连续性并提高生产效率。
（二）高强支护理论特点
传统的支护理念是利用支护结构分担巷道顶板、两壁以及岩体松散部位的应力，控制其变形和避免出现崩塌等问题，而高强支护理论则致力于预防和控制巷道围岩变形或被破坏，因此高强支护理论实质上是让巷道围岩与支护结构成为一个整体，共同承担地应力和采动应力[2]。嵌入围岩并与之紧密结合的锚杆则同时起到了连接和传递应力的作用，通过调整其安装预应力，平衡围岩和支护结构的内部应力。使得存在裂隙、松散或破碎的岩体重新成为一体，达到理想的稳定状态，确保巷道顶板、两侧以及底板有足够的承载力和抗变形能力。因此不同于传统支护体系的被动承载围岩变形、脱落压力的状态，不仅让围岩在理论上重新变的稳固和完整，而且支护体系自身也由于与围岩的结合而更加牢固，不再需要频繁的加固与维修。
（三）锚杆支护
与木材、钢材以及混凝土结构的支护技术相比，锚杆支护做为高强支护系统的核心技术，改变了支护体系与巷道围岩的关系，使之从传统的接触式转变为可以灵活调节位置与深度的结合式。因此首先能够根据需要精确设计支护体系的各项参数，结合作业面不同位置的岩土结构、性质以及内应力状况等，计算包括锚杆的强度、直径以及锚固深度和位置等数据[3]。其次可以根据需要在安装时对锚杆施加一定的预应力，促使围岩在采动应力的作用下重新达到受力平衡，并且有效控制各个部位的变形，避免出现裂隙扩大与岩土脱落等现象。目前锚杆支护技术在煤矿采掘中的应用相当普遍，其施工机械化程度高且十分简便，并且由于体积相对较小而大幅减少了支护结构所占用的空间，不仅支护可靠而且在很多方面都更加经济实用。通常情况下会根据具体的巷道结构特征以及作业面特点，将锚杆支护技术与混凝土喷射以及锚索支护等技术联合应用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（四）混凝土喷射支护
由于混凝土喷射技术施工简便高效，而且可以第一时间对巷道内壁起到加固作用，因此是构建高强支护体系最常用的技术之一，可以为后续支护结构的安装打下良好基础并有效控制围岩变形。首先需要根据作业面的围岩岩性与构造特点，设计混凝土喷射技术方案，采用素喷、锚喷或锚网喷射混凝土的形式。其中素喷混凝土一般做为初次支护方案，用于固化松散岩体或破碎的围岩。而锚喷支护则一般与光面爆破同步进行，由混凝土喷射设备在爆破后跟进进行支护施工，并且在混凝土达到理想强度后进行锚杆支护体系安装[4]。最后锚网混凝土喷射支护是根据巷道内壁的围岩完整度、岩性特征，在安装锚杆时加装钢带或金属网，形成对顶板、两壁的全面保护。
（五）锚杆锚索联合支护
锚杆锚索联合支护近年来在煤矿采掘以及工程施工中多有应用，尤其是大断面的巷道掘进过程中。首先按照设计的间距、深度等参数安装预应力锚杆，使用专用的钻孔设备精确的在预定位置钻孔，并且在清理之后加注锚固剂。其次在根据锚固剂的使用要求规定时间内完成所有锚杆的安装，待锚固剂完全固化之后加装金属网与锚索，利用螺母等紧固件将锚索与金属网和锚杆牢固结合。锚杆锚索联合支护体系能够灵活的调整结构强度、构件密度等参数，因此不仅支护效果理想，还可以根据煤矿采掘作业面的实际情况，非常快速的完成支护施工或者进行必要的调整，非常有利于保障掘进安全与效率。
三、高强支护技术应用要点分析
（一）支护体系的结构设计
由于目前煤矿采掘作业地质环境和巷道结构复杂，因此支护体系的设计和安装涉及到多种支护技术的合理应用，需要依据地质勘查资料与作业面实际情况进行分析和优化。首先应收集相关区域的地质勘查历史数据和信息，了解地层构造、煤层分布以及水文状况等，评估采掘中围岩应力变化、整体结构的稳定性。其次根据对围岩岩性、变形以及应力变化特点的分析，决定采用哪些高强支护技术，制定超前支护、作业面断头支护以及整体支护体系的设计方案。目前没有特殊情况时，都应首选锚杆联合支护方案，除锚杆支护体系之外结合实际需要选择锚索、混凝土喷射或型钢支架等技术，达到控制围岩变形与保障其完整性的目的。
（二）结构与工艺参数的分析计算
目前已经有了相对完善的锚杆支护技术相关的设计和施工技术规范，在具体的煤矿采掘高强支护体系设计中，首先应依据地质勘查、作业面现场实测的各项数据，对所需的锚杆力学性能、几何参数以及连接件等的强度进行分析计算，确定其直径、长度、锚固深度以及空间位置等[5]。其次还需要根据围岩岩性等确定施工所用机械设备型号以及转速等，避免钻机、凿岩机等在安装支护系统时对围岩产生过多扰动与破坏。最后还要依据设计规范和支护要求，确定锚杆、锚索的安装预应力大小，以便合理分配围岩内应力，使得整体结构具有理想的稳定性。
（三）支护系统的施工
在高强支护系统的安装施工过程中，首先需要保障锚杆孔位、深度以及锚固剂灌注量等的精度，按照设计方案精确定位与测量校核，以保证支护系统有足够的承载力，并且与巷道顶板、两侧等部位结合牢固[6]。其次锚杆在安装施工时应严格按照规范操作，确保锚固剂、围岩与锚杆之间衔接紧密且达到设计的机械强度。最后锚杆、锚索等支护构件的连接与紧固也应控制好精度，确保各个部位的受力均衡并起到应有的支护作用。
（四）支护效果的动态监测与评估
由于采掘中巷道作业面的不断推进，顶板等处的围岩岩性、受力也随之变化，因此需要对支护效果进行动态监测[7]。采集各个关键位置的变形量、位移等数据并测量各个支护构件的受力，进而评估已有的支护体系能否保障采掘作业安全。当某一项数据超出允许值的范围时，应采取措施加以调整。
（五）支护系统的动态优化
随着煤矿采掘作业的不断深入，高强支护体系的受力状况以及围岩的稳定性会发生持续变化，因此需要针对作业面的变化以及动态监测结果，对支护技术方案进行不断的优化。首先可以根据实测的巷道断面变形和位移量，分析出现问题的原因并在特定位置增加锚杆支护点、加装钢带或金属网等，强化局部的支护结构承载力[8]。其次针对出现松散破碎岩体的部位，也可以采用灌注水泥浆加固的方法。此外在特别复杂的作业面支护体系设计中，可以根据巷道结构特点灵活的使用多种支护技术，以保障围岩稳定性为根本目标，在锚杆支护的基础上采用多种技术手段控制围岩变形[9]。
四、结束语
以锚杆支护技术为核心的高强支护体系，对设计和施工技术有着极其严格的要求，需要根据相关规范进行精确的参数分析和计算，保障锚杆等构件的安装质量。此外需要对巷道与支护结构的变形和位移等数据进行动态采集，及时评估支护效果并进行支护结构优化，才能够体现出高强支护技术在可靠性与经济性等方面优势。
参考文献：
[1] 孙长城. 煤矿采掘中的高强支护技术研究[J]. 山东工业技术, 2017(16):70-70.
[2] 许克强. 浅谈高强支护技术在煤矿采掘工作中的应用[J]. 科技经济导刊, 2017(18):69.
[3] 荣建科. 煤矿采掘中的高强支护技术分析[J]. 西部探矿工程, 2019, 31(01):162-163+169.
[4] 王大帅, 张威, 吴晨鹏, et al. 煤矿采煤掘进工作中高强支护技术应用研究[J]. 价值工程, 2018, v.37；No.501(25):261-262.
[5] 张睿. 采煤掘进中高强支护技术的运用探究[J]. 山东煤炭科技, 2017(1):10-11,共2页.
[6] 施跃忠. 煤矿采掘中的高强支护技术分析[J]. 能源与节能, 2018, No.155(08):119-120.
[7] 李云龙. 采煤掘进中的高强度支护技术探讨[J]. 山西煤炭管理干部学院学报, 2016(2):11-12.
[8] 侯朝祥. 采煤掘进中高强支护技术的应用[J]. 技术与市场, 2015(05):141+143.
[9] 王孝龙. 煤矿采煤掘进中高强支护技术的应用探讨[J]. 机械研究与应用, 2018(2):181-182.
论文作者:徐春辉
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：围岩论文; 巷道论文; 技术论文; 作业论文; 煤矿论文; 锚杆论文; 结构论文; 《科学与技术》2019年第15期论文;