煤矿巷道支护技术与应用

煤矿巷道支护技术的研究与应用摘要：文章介绍了煤矿巷道支护类型，分析了锚杆支护的技术理论依据，总结了锚杆支护的优点，论文还以塔山矿煤层巷道支护为例进行了应用研究，并对巷道支护技术的发展进行了展望。

关键词：煤矿；巷道支护；锚杆支护；岩层

近年来，随着我国城市社会经济的快速发展，对能源需求日益加大，煤炭作为我国重要的能源资源，在国民经济中扮演着越来越重要的作用。但是，我国煤炭资源大多埋藏在地下，需要在井下开挖大量巷道，在煤矿资源开采的同时，保持巷道内畅通以及围岩稳定是保障煤矿顺利开采的重要前提。随着煤矿资源开采深度、开采强度的不断加强，巷道埋深日益增加，再加上新煤矿资源地质条件亦不断复杂化，高地应力巷道、松软破碎围岩巷道、特大断面巷道等复杂巷道层出不穷，急剧增加了巷道支护难度，采用新的巷道支护技术势在必行。在先后经历木支护、砌碹支护和型钢支护后，目前支护技术已广泛地采用了锚杆支护，锚杆支护已称为国内外提高煤矿开采效率的关键技术之一。

一、煤矿巷道支护形式

根据支护对围岩的作用方式不同，一般将煤矿巷道支护分为四类：一是支护力作用在巷道围岩表面，主要包括支架、砌碹支护等方式；二是支护力同时作用在围岩表面和内部的支护方式，包括锚杆和锚索支护等；三是通过改善巷道围岩力学性质强化围岩强度；四是改善巷道围岩应力状态，使得巷道处于应力降低区。

1．砌碹支护。砌碹支护属最为古老传统的支护方式，是一种刚性被动性支护，具有支护成本高、劳动强度大、施工速度慢、适应能力差等劣势，一般只在特殊巷道和硐室施工中采用。

2．棚式支架。棚式支护曾在上世纪90年代得到了广泛应用，使用率高达80%以上，根据支架使用材料分为木支架、钢筋混凝土及金属支架。与砌碹支护一样，棚式支架也是被动支架的一种，具有控制围岩早起变形能力差、与巷道表面接触面小等问题，在煤矿开采过程中经济性能不佳，逐渐被锚杆支护所取代。

3．锚喷支护。锚喷支护是联合使用锚杆和喷混凝土或喷浆的支护，该技术在上世纪60年代以来，已被广泛采用。锚杆和喷射混凝土与围岩共同形成一个承载结构，可有效地限制围岩变形的自由发展，调整围岩的应力分布，防止岩体松散坠落。锚喷支护具有成本合理、性能优越、适应性强等特点，经过过多年的发展，已经成为一项比较成熟的支护方式，是煤巷最主要的支护方式。

4．注浆加固。注浆加固适宜于破碎煤岩体掘进或巷道维修，采用注入水泥集料或高分子材料的浆液的方式填充围岩裂隙，固化破碎岩体，强化围岩自身承载力。注浆加固适应性范围较小，是一种补充式支护。

5．应力控制技术。应力控制法是控制围岩变形的另一种途径，主要采用人工卸压等措施使巷道周边的高应力向深部转移。降低巷道应力的方法较多，主要包括改变巷道布置方向、优化断面形状、改变断面尺寸等方法。由于人工应力控制法施工过程复杂，难易大

规模推广使用。

6．复合支护。顾名思义，复合支护是采用两种或多种支护方式来支护巷道，复合支护能有效地综合多种支护方式的优点，摒弃缺点，更好地发挥支护效果。复合支护具有适应性强的特点，能广泛地使用在各种巷道支护中，但复合支护具有费用高、组合难、成巷慢等特点，在巷道支护过程中使用的比例较少，未来在技术成熟后，具有较大的发展空间。

二、煤矿巷道锚杆支护技术的理论和优势

（一）煤矿巷道锚杆支护技术的相关理论

1．悬吊理论。悬吊理论是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。

2．组合梁理论。组合梁是将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动而出现离层现象，提高其自撑能力。将多个薄岩层紧锁成一个较厚的岩层形成组合梁，在上覆岩层载荷的作用下，组合梁岩层内的最大弯曲应变和应力都将大幅度减小，挠度也相应减小。

3．组合拱理论。组合拱是在破碎区安装预应力锚杆时，圆锥形分布的压应力将在杆体两端形成。在沿巷道周边布设锚杆群时，当铺杆间距足够小时，各锚杆两端形成的圆锥形压应力将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带即承压拱。承压拱受到上部破碎岩石所施加的径向荷载以及岩石的径向和切向应力，处于三个方向应

力同时作用下，提高了围岩强度和支撑力。

4．最大水平应力理论。矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，应力方向见图1。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，见图2。

图 1应力集中的方向图 2约束岩层剪切错动

5．锚杆支护围岩强度强化理论。随着支护强度的增加，围岩的极限强度和残余强度提高，围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。锚杆与围岩相互作用，形成锚杆—围岩的共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值强度和残余强度，特别是残余强度的提高，能有效提高围岩的自承能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。围岩与支护强度的关系见图3。

图 3围岩与支护强度的关系

（二）煤矿巷道锚杆支护的优势

煤矿巷道锚杆支护具有较多优势，主要表现在以下几个方面：1．改善了围岩受力状态。锚杆与岩体粘结在一起，提高了岩体的整体性；对不稳定岩层起着悬吊作用；由于预紧力的作用，形成压缩岩梁，阻止了层状岩体的离层作用，增大了岩层间的摩擦力，

与锚杆本身的抗剪作用一起，阻止岩层间产生相对滑动，提高了岩层的承载能力。

2．变“被动支护”为“主动支护”。锚杆支护利用锚固剂、杆体、托板及各种构件或喷层，给围岩一定的支护强度，与围岩共同组成支护体系，并且随围岩变形，支护阻力不断增加，变被动支护为主动支护。

3．具有良好的经济效益。采用锚杆支护，可以大量地节约钢材、木材等材料，同时减少人力成本，在迅速降低成本的基础上还能加快掘进速度，能够大大提高经济效益。

4．工艺简单，安全性能好。采用锚杆支护能简化工作面端头及超前支护，能及时加固围岩，减少围岩变形，防止顶板早期离层和片帮，确保畅通。除此之外，锚杆支护还能避免棚架支护易引发的火灾、冒落或伤亡等事故，确保支护安全。

三、锚杆支护技术的应用

（一）神华宁夏煤业集团某煤矿基本概况

锚杆支护已经广泛应用于煤矿各类巷道，下面以神华宁夏煤业集团某煤矿为例分析锚杆支护技术的应用。神华宁夏煤业集团某煤矿开采的煤层为石炭纪太原组的3～5#煤层，埋深为300～500m。该层煤赋存稳定，厚度大，煤层精查厚度为1.63－29.21m，平均厚度15.72m。3～5#煤层节理发育，结构复杂，整体上呈现出上弱下强的规律。巷道开挖对围岩完整性以及承载能力造成明显影响。不同深度位置的煤体抗压强度有所不同，单轴抗压强度范围在0～