韩海龙 鲁军纪
湖南涟邵建设工程（集团）有限责任公司
摘要：本文首先介绍了对金属支架材料的要求，然后介绍了金属矿巷道支护理论，接着介绍了两种应用广泛的矿井支护技术以及目前金属矿巷道技术在使用的过程中存在的现状及问题，最后介绍了金属支架运输及处理方式和可缩性金属支架与锚注结合的应用。
关键词：巷道支护，金属支架，支护技术
一、前言
在金属矿生产中巷道支护可以稳定围岩状况、控制围岩运动的发展速度，维护工作空间安全。好的支护技术能够保证生产的安全。
二、对金属支架材料的要求
矿井一般都使用矿用工字钢和型钢来制成金属支架，矿用工字钢被用于刚性金属支架的制作中，而型钢通常被用于制作可缩性金属支架。因为井下有着十分复杂的围岩条件，并且有着不均匀的矿山压力，釆动和巷道交岔口也会影响到巷道支架，那么采用的井下金属支架的材料就需要满足多方面的要求，比如抗弯曲、抗拉、抗压、抗剪等等，还需要满足防绣、防腐等方面的要求；要合理的选择设置支架型刚断面的形状，同时，在对采准巷道金属支架进行选择时，还需要充分的考虑支架有着较为频繁的架设以及回拆等特点。矿用工字钢因为有着较高的稳定性，因此井下的载荷状况即使是十分的复杂和多变，也可以满足，而U型钢因其断面形状和几何参数相对来讲，具有较好的优越性，搭接型钢收缩较为容易，只要合理的型钢选型和设计支架，准确的进行连接，用U型钢来制作支架，就可以保证支护力学性能符合相关的要求。
三、金属矿巷道支护理论
由于巷道支护对金属矿安全生产的重要性，所以一直是金属矿安全领域研究的重点，其技术和相关设备也在不断发展之中，经过多年的不断研发，取得了丰硕的研究成果，下面介绍几种应用较广、较为经典的支护理论：
新奥法支护理论：是在奥法支护理论的基础上，经过大量的实践研究和改进，同其他学科的研究成果，尤其是地质动力学的相关研究成果进行交叉融合而形成的效率更高、可靠性更强的一种支护技术，其特点是：采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；对围岩采取预先加固措施，可将未来发生的隐患及早排除，采用锚喷支护提高其承受力能力；对已加固的围岩进行评估，若有需要可实施二次支护；若发生围岩裂痕、破碎的现象，主动实施注浆加固；在设计阶段预先考虑环境影响因素，建立动态自适应的设计模型，在施工过程中动态调整施工方法和工艺，更合理的满足巷道支护的需求。
联合支护理论。此理论相对于针对性较强的支护技术而言，更加强调巷道围岩整体的稳定性，许多专家学者经过多年的研究发现，在井下巷道中，尤其在围岩地质环境复杂的金属矿巷道中，单纯的不断加强支护体的强度，可能会适得其反，使得巷道支护的稳定性下降，因为局部的强化不能很好的控制围岩在外力和环境长时间作用下的变形效应，应该先柔后刚，适度柔让的方式进行支护，从而提高围岩的整体稳定性，不至于出现因稳定性不统一而导致的支护效果下降。在地质环境较为复杂的巷道中，这种方式无疑比单纯提高巷道本身强度更为合理。但其局限性也是显而易见的，由于我们只能在某一时间点上测定巷道围岩的具体参数，从而据此来设定巷道支护方式和强度，但地质变化是一个动态过程，围岩的稳定性也随着时间流逝而缓慢持续下降，当这种下降程度达到一上限值时，巷道的稳定性就会直线下降，因此，就支护的长期稳定性而言，联合支护并不是一个很好的选择，其后期维护工作可能随围岩情况的变化而逐渐繁重。
围岩强度强化理论。此理论是由我国专家侯朝炯提出的，通过锚杆支护，使得围岩强度得到一定的提高，因为锚杆支护可以在一定程度上改变围岩应力状态，使围压增加，从而从本质上提高围岩的最大承受力，同时强化锚固区域岩体的峰后强度与残余强度。
锚、网、喷与U钢金属支架联合支护。对特别松软、破碎岩层，采用锚、网、喷支护作用不明显时根据围岩变形的特点，采取锚、网、喷作为一次支护，可使喷层及时封闭围岩，容易做到及时支护，提供一定的初锚力和较大的锚固力，能较好地满足特别松软、破碎围岩巷道第一阶段围岩变形的要求。当巷道围岩变形基本稳定后，使用U型钢可缩性金属支架进行二次支护，以适应第二阶段围岩变形的要求。实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；二是进行锚索加固。由于锚索长度较大，能够深入到深部较稳定的岩层中，锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200KN，限制围岩有害变形的发展，改善了围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；三是改变支护结构。在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷（梁）支护，从而形成完整的、封闭的支护整体。
四、两种应用广泛的矿井支护技术
1、单体液压支柱技术
经过三十多年的试点应用及研究，单体液压支柱技术已经成为一种成熟的井下支护技术，多用于金属矿井下工作面的临时支护工作，在老旧金属矿中，由于支护设备的陈旧，冒顶事故时有发生，给井下工作人员的生命财产安全带来了极大的隐患，而单体液压支柱的应用从根本上解决了这一问题。
单体液压支柱按注液方式分为外注式和内注式两种。外注式的特点在于结构简单，安装灵活，易于维护，使用门槛较低，它类似一个油缸，升柱靠外部供液管路系统（包括液压泵站），动力介质为乳化液。内注式采用机油作为介质，其结构类似一个油压千斤顶，手动升柱。
2、巷道锚杆支护技术
锚杆即杆状锚栓体，是一种常用的加固装置，通常放置在巷道围岩内。采用锚杆支护技术，首先需要在巷道的围岩中钻孔，称为锚杆孔，然后将锚杆安置在锚杆孔内，就可实现为围岩的加固效果，目前是金属矿巷道支护领域内最常用的一种技术，大量的实践证明，使用锚杆支护技术可以对巷道的稳定性起到很好的支撑作用，其作用原理有以下几点：
（1）悬吊作用。是指采用锚杆将有冒落风险的围岩悬吊于上部的坚硬岩层上，起到悬吊的作用，围岩的重力作用由锚杆传输到坚硬岩层上，起到加固的效果。
（2）减跨作用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在巷道内安设锚杆，能够减少压力拱的高度和跨度。
（3）组合梁作用。采用锚杆将各组合板梁压紧，使得各层板梁在结构上形成一个整体，共同分担挤压和拉伸力，提高了板梁的抗弯强度，从而提高巷道顶板岩层的承受力。
（4）围岩补强加固作用。巷道深处围岩内的岩石是三向受力的，而巷道周边岩石是二向受力，抗压强度大大减少了，因此受到压力而变形破快的可能性远远大于前者。在巷道内安设锚杆后，有些围岩又部分地恢复为三向受力状态，增强了自身的强度。
五、目前金属矿巷道技术在使用的过程中存在的现状及问题
锚杆支护技术在金属矿巷道的应用状况就目前看来，我国的不少金属矿开采的深度已达到1000余米之上，不仅仅开采深度大，而且地质构造及其复杂，存在矿井灾害发生的可能性，给金属矿的开采带来了很大的困难。但在不断地技术改革和大量的资金投入，新型的技术和材料被应用到巷道支护中，为金属矿巷道支护技术提供了很大的保障。目前，就应用范围而言，锚杆支护技术已经由稳定的岩层、静压巷道、全岩巷道发展到了松软破碎岩层、动压巷道、采区煤巷；就锚杆的种类而言，也有了很大的改善，从木锚杆发展到了多种多样的金属锚杆；就支护形式而言，锚杆支护的形式由单一的锚杆支护发展到现在的锚网带及锚索等多种方式联合支护。这都大大推动了锚杆支护技术的发展，使得锚杆支护达到了97.15%的应用率。目前锚杆支护技术仍存在很大的问题。其主要表现可概括为以下几点：第一：随着矿井深度的不断增加和地质构造复杂性的增加，使得巷道的压力也越来越大。复杂的地质条件极可能留下矿柱、采区矿柱、断层构造带矿柱造成应力集中，就会增加金属矿巷道的支护难度，由于开采的进行锚杆从托盘拉断或者跟随煤体移动，也都会造成巷道的支护困难。第二：当前的深部巷道围岩破坏机理仍然存在很大的问题，需要更多的理论研究来支持和完善相应的控制工作。第三：当前仍然采用工程比拟法来对巷道的各个参数进行指导，没有形成一个科学严谨的计算机动态辅助系统和巷道支护合理性评价系统来支撑锚杆支护工作，也就无法保证巷道的最佳效果和金属矿的安全经济效益。第四：软岩破碎带等地点锚网喷二次支护理论无法在深部动压影响区、构造压力带、软岩破碎带等特殊条件下使用，仍需进一步研究。第五：当前使用的支护材料普遍采用螺距较大、锁紧力低的全螺纹锚杆，并且经受到大震动（如：放炮）后易出现松动的情况，还有其他一些材料和器械都不适应金属矿深部的巷道条件，无法满足所需的支护条件。
六、金属支架运输及处理方式
目前，一些具备创新意识的施工单位，针对金属支架的井下运输，进行了一些有益的尝试和改进，具体表现在：
1）针对升入井U型钢、工字钢高度超过了罐笼内容纳物件最大高度的情况，为避免通过人力将U型钢、工字钢抬进罐笼的高强度工作，根据罐笼内结构及尺寸，设计加工了U型钢、工字钢升入井专用车辆，当需要提升U型钢等时，由人力通过在副井架上安装的滑轮，用棕绳一端系牢U型钢，另一端通过电机车牵引，将U型钢装入专用车辆内，U型钢装完后，人力将车辆推进罐笼，运至井下，有效减轻了职工劳动强度和工作量，提高了作业安全系数及效率。2）针对井下因巷道压力大而压变形的U型钢及支架，为避免升井后因不可利用变为废料，通过在井下投入使用YZW-B型防爆卧式压力整形机及防爆锯床，可以在井下直接对变形的U型钢、工字钢利用模具进行有目地的整形、修复；对于变形严重没有修复价值的U型钢，则利用锯床进行锯、截和重新加工，节约了材料，缓解了副井紧张的提升局面，提高了核定提升能力。3）针对井下U型钢不同型号、尺寸，对移动压力机进行改造，改造后的压力整形机配有矿车轮，可沿矿车轨道运动，机动灵活，并且可配备多种整形模具，将模具固定在液压整形头前端，来对槽钢、U型钢、道轨等进行有目的的整形，很好的满足了不同的需求。4）压力整形机加工安装设有滚轮，操作中推拉工件省力、方便，三人就可操作，效率是一般整形工具的十几倍。三人在8小时内可对百万吨级金属矿一月内产生的变形支架等完成整形。
七、金属支架运输及处理方式可缩性金属支架与锚注结合的应用
复杂的深部及软岩巷道支护条件本世纪初，随着金属矿开采深度的进一步增大，巷道矿山压力显现更加强烈，深部矿井巷道支护及软岩巷道支护成为金属矿巷道支护急需解决的重要课题。对于矿山压力显现强烈及软弱岩体巷道，由于围岩体破碎、易变形，底板容易发生底鼓，单纯的可缩性金属支架或者锚网（喷）支护已不能很好的维护巷道稳定。从而要求在现有的生产技术条件下，找到一种或几种更好的支护方式来维护巷道稳定，可缩性金属支架结合锚注支护的复合型支护方式能很好地解决这一问题。特别是高强度锚带网支护体系和大直径锚索的发展以及可缩性金属支架材料的改进和精细加工为这种复合型支护方式提供了很好的保证。高强度锚杆的发展和应用提高了支护结构的整体稳定性，防止锚杆松弛、锚固失效；与之配套的大直径锚索提高了锚索的破断力，为施加高预紧力创造了条件；与之组合的可缩性金属支架滑动段的精细加工、高强高阻限位卡缆及壁后充填技术实现了U型钢支架的高阻让压可缩。及时的锚杆支护使破碎的围岩体初步形成整体，提高围岩体力学性能；可缩性金属支架阻止并适应松软的围岩体的变形和移近，保持巷道形状和尺寸；注浆使松散破碎的围岩体进一步形成整体，力学性能进一步提高；混凝土喷层可防止锚杆、支架等暴露在空气中锈蚀。
可缩性金属支架与锚喷（注）结合支护方案巷道掘进后，及时打锚杆进行初次支护；打完锚杆之后及时喷上一层约30mm的混凝土喷层，防止锚杆暴露在空气中锈蚀；及时架设可缩性金属支架（容易底鼓的巷道采用环形，其他巷道可采用拱形），支架的力学参数及性能、棚距等符合设计要求，要保证支架与围岩体全面接触以使支架承载均匀，架后中空的地方用矸石或其他材料填实，避免支架因受载不均而产生较大变形；架设完可缩性支架之后进行复喷，在巷道表面喷射一层厚约100mm的混凝土喷层，喷层要保证完全覆盖金属支架；；必要时在围岩破碎、变形量较大、顶板不太稳定的巷道顶板补打锚索。
八、结束语
金属支架支护技术，虽然一定程度上增加了巷道支护初期投入资金量，但有效提高了巷道支护的安全性能，大大减少了巷道长期的维护、维修费用，同性质同长度的巷道在使用周期釆用金属支护与采用传统木支护相比，采用金属支护能够降低企业的成本。
参考文献：
[1]朱伟，王进龙，宗凤龙.锚带网索支护技术在大断面切眼施工中的应用[J].金属矿现代化.2011年04期
[2]吉继瑜，压力集中区巷道底鼓的控制技术[J].电子科技.2010年S1期
[3]孟宪斌，综放回采巷道锚杆支护围岩变形与效果[A].2010
论文作者:韩海龙,鲁军纪
论文发表刊物:《基层建设》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/10/9
标签：巷道论文; 围岩论文; 支架论文; 金属论文; 型钢论文; 锚杆论文; 技术论文; 《基层建设》2015年5期供稿论文;