白旭飞

(潞安集团 潞阳煤炭投资经营管理公司，山西 寿阳 045400)

煤炭是我国经济及社会发展的重要支柱，建国初期能源大省山西的煤炭产量仅仅为267万t，随着国民经济的发展，山西的煤炭产能也在不断提高，到1978年全省的原煤生产能力达到了9 825万t，是1949年36.8倍。随着我国改革开放的深入，全省的煤炭产能于2018年达到了9亿t[1]。煤矿产能的提高离不开装备技术的提高和井下巷道支护方式的变革，在整个煤炭工业发展过程中，煤矿井下巷道支护也经历了从传统支护方式向高强支护方式应用的蜕变。

1 巷道传统支护方式

在1978年前的一个相当长时期内，我国煤矿的煤炭生产在埋藏比较浅的煤层条件下进行，由于大多数煤矿采用原始的非机械方式开采，井下巷道通常断面小、岩层矿山压力不大，所以巷道支护采用的是传统方式，例如：棚式支护、砌碹支护、单体液压支柱支护、摩擦支柱支护，后来逐步发展成混凝土棚腿棚梁支护、工字钢支护、喷射混凝土支护。由于这一时期矿井的生产能力与生产强度不大，井下巷道的断面又比较小，这几种传统的支护方式基本满足了对巷道支护强度的要求。

2 高强支护方式应用的必要性及基本原理

高强支护方式是指使用锚杆、锚索、钢筋网、钢带以及喷射混凝土等支护方式中的一种或多种，控制井下巷道顶板及两帮变形的支护方式。在当前煤炭开采深度大、强度高的条件下，高强支护方式体现出了其安全、高效、成本低、效果好的特点[2-7]。

2.1 应用高强支护方式的必要性

改革开放40年多来，随着我国国民经济的快速发展，煤矿井下工作面生产能力越来越大，浅部的煤炭资源存储已所剩无几，开采深部煤炭已成必然。由于国民经济对煤炭资源需求的不断增加，促使煤炭生产装备越来越趋向重型化，随之井下巷道与工作面切眼的断面也显著加大，加之开采深度增加后巷道顶部岩层压力的增大，采用传统的支护方式已不能满足深部大断面巷道支护的要求。为了保持开掘与生产过程中巷道稳固，必须根据现有条件选择适当的高强支护方式来稳固巷道。

2.2 高强支护的基本理论

在煤矿井下开采深部煤炭时，由于巷道施工环境相比浅部更加复杂，煤层盖山厚度的增大，使巷道顶部岩层受到的压力大大增强。因而在开掘深部巷道时，要依据地质部门提供的勘测数据，对松动圈的作用、顶板岩层状况进行分析，制定出合理的高强支护技术方案。同时，在施工过程中要注意巷道的矿压观测，及时处置因巷道支护力不足造成的顶板或岩层移动、变形情况。

高强支护依据的是锚杆支护的悬吊理论、组合梁理论、组合拱原理。悬吊理论认为，锚杆支护的作用是将巷道揭露的顶板较软弱的层状岩层悬吊在上部稳固的岩层上，防止直接顶板与老顶发生离层、脱落。

组合梁理论认为，使用锚杆将巷道顶板中存在的若干层状顶板,“装订”成一个以巷道两帮为支点的整体组合梁,可防止岩石沿层面滑动或出现离层。

组合拱原理认为,在拱形巷道围岩破裂区安装预应力锚杆,其杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果锚杆间距足够小、锚杆间的压应力锥体相互交错,将使巷道周围的岩层形成一种连续的组合拱，不仅可承受上部岩石的径向载荷,而且对岩层的支承还具有补强作用。

总之，以锚杆支护为轴心的高强支护系统，具备强度大、刚度大、抗剪阻力大等特性，可以解决深部开采条件下直接顶与老顶发生离层或脱落的问题。

3 高强支护方式的分类

如上所述，相较于传统支护而言，高强支护方式是将支护装置作为预应力负载梁，抵消巷道顶部垂直应力的作用，减少巷道围岩可能产生的变形，提高巷道开掘的稳定性和安全性。随着井下开采深度的普遍增加，以锚杆支护、光爆锚喷网支护、联合支护为主的多种高强支护方式，在煤矿深部巷道支护中得到了广泛的应用。

3.1 锚杆支护

锚杆是当前一个阶段巷道支护的最基本构成要件，凭借其优越的综合性能广泛应用于煤矿井下的巷道支护中。在巷道施工过程中，锚杆在提高破碎岩体稳定性方面起着重要作用。基于稳固巷道的顶板或岩层，锚杆支护是通过将锚杆深入围岩深处，将不稳定的围岩岩层与岩石紧固在一起，形成组合梁、组合拱，加固巷道结构并提升巷道的稳定性，避免和消除围岩发生坍塌、滑移。在巷道所有支护锚杆的共同作用下，通过挤压、粘结围岩形成一个承载环，控制了围岩可能发生的后续变形，使巷道周围一定深度的围岩得到稳固。

锚杆支护的配套形式有: 锚喷支护、锚网支护、锚网喷支护、锚梁支护、锚杆钢带支护等等。

锚杆支护的优点是:成本低，工艺简单，断面支护空顶距小，非常适应于一次成巷和快速掘进施工。

3.2 光爆锚喷网支护

光爆是指光面爆破，是一种利用炸药合理控制爆破的技术，爆破后巷道成型规格、平整，与设计断面的轮廓尺寸非常接近，岩壁没有明显的爆震龟裂现象，巷道围岩的稳定性与自承能力强，有利于确保围岩的整体性。

锚喷网支护方式就是先采用锚杆在巷道的顶拱和边墙固定钢筋网，而后再向其上喷射一定厚度混凝土的支护方式。单独采用锚杆或喷射混凝土，一般只用于巷道的局部支护，锚喷网支护用于巷道的顶拱和边墙的支护，既充分发挥了锚杆的作用，又发挥了喷射混凝土的作用。同时，钢筋网不仅相当于增大了锚杆托板的面积，且喷层还使破碎圈的表面趋于完整，有利于增大围岩的抗弯、抗剪能力，使锚喷网支护巷道具备较高的韧性和较大的允许变形量。

光爆锚喷网支护方式变传统的被动支护为主动支护，有利于保持围岩的完整性、稳定性，该支护方式“以护为主、以支为辅”，强化了对破碎圈的加固而不是对破碎圈的支护，非常适用于对破碎带不稳定岩石的支护。

3.3 联合支护

煤矿浅部开采结束后，井下深部巷道受浅部开采的影响，存在地质结构复杂、稳定性差、底板荷载性能弱等现象，采用单一形式的支护技术，不仅难以发挥出期望的支护效果，而且存在安全隐患。当前，在井下深部巷道施工中应用联合支护，已经成为常见的设计方案。联合支护包括:高预拉力锚杆+超高强U型钢可缩性支架；U型钢支护+锚网支护；混凝土支护+锚杆支护；锚网带支护+锚索等多种组合方式，其对于井下深部巷道不同条件下的支护作用非常明显。

例如，为了防止井下巷道的顶板或岩层受周边采动影响，发生岩石的流动、移动、变形情况，一般采用高预拉力锚杆与超高强U型钢可缩性支架构成的联合支护方式。在该联合支护方式中，高预拉力锚杆以其具有的高强度、高刚度、高预应力及高可靠性，发挥锚杆稳固岩层的超强作用。超高强U型钢可缩性支架，以大承载、高阻缩、恒阻滑的工作状态确保了围岩的稳定。联合支护方式改变了锚固体的力学特性，提高了巷道顶板或岩层的锚固强度，促使围岩从二向应力状态向三向应力状态转变，进一步强化了围岩的承载结构，补强了岩体弱化区的不均衡性，并可使软弱夹层顶板的离层得到控制。

高强支护方式充分发挥了巷道围岩的自承能力，给围岩提供了较高的预应力，可使巷道围岩实现主动支护，已经成为煤矿深部开采时普遍应用的巷道支护方式。