巷道支护

煤炭巷道支护

我国煤矿主要是地下开采，需要在井下开掘大量巷道，采用巷道支护来保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义。

发展历史

煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。多年来国内外的实践经验表明，锚杆支护是经济、有效的支护技术，与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度。更重要的是锚杆支护大大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进和煤炭产量的大幅度提高创造了良好条件。

原则

1、新奥法支护理论：采用光面爆破; 采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护; 采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈; 实施二次支护; 对破碎围岩实施注浆加固; 实施动态设计和动态施工等。

2、联合支护理论：对于复杂困难巷道，只提高支护体刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。

3、松动圈支护理论：道开挖后一般会出现松动圈，围岩最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中岩石碎胀变形是支护对象。松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。

4、围岩强度强化理论：强化围岩应力状态，增加围压，提高围岩承载能力。

井巷支护分类

采用不同材料支撑井巷空间，使岩层处于稳定状态的作业。井巷支护按工程项目分为竖井支护，平、斜巷支护和硐室支护三类。

竖井支护

竖井断面一般都采用圆形，小型竖井也有采用矩形断面。在稳定岩层中施工竖井一般采用永久支护;当竖井穿过表土层、破碎不稳定岩层时，还必须在掘进过程中进行临时支护。使用的支护材料有木材、钢材、石材、混凝土和钢筋混凝土、锚喷混凝土等。

木材支护：用于小型竖井或浅井的支护。也可用作圆形空竖井的背板。支护用木材一般采用直径20cm以下的松原木，背板采用厚度为5cm的松木板。支护形式有悬吊井框和间隔井框两种。间隔井框之间可用木柱分隔，井框支承在下部基框上，其段高视地层条件而定;悬吊井框设钢筋吊钩，支承在上部基框上，其段长根据井框重量和配用钢筋数量经计算确定。

钢材支护：用于小型竖井或浅井的永久支护和圆形竖井的临时支护，有井圈背板支护和金属掩护筒支护两种。

(1)井圈背板支护。用井圈背板作临时支护，先往下掘进一段，随即架设背板，直至达到所定的施工段高，然后再由下而上一边拆除井圈背板，一边进行永久支护。其施工方式有长段单行作业和平行作业，适用于砖石、混凝土与钢筋混凝土永久支护的井筒。支护形式有倒鱼鳞式、对头式、花背板式。倒鱼鳞式用于表土层、松软岩层和淋水较大岩层，具有防止片帮，安全可靠和背板可作模板用等优点;对头式用于一般基岩，具有封闭岩帮严密，背板可作模板等优点;花背板式用于稳定岩层。

(2)金属掩护筒支护。采用型钢和钢丝网或钢板制成筒形结构物，吊挂在掘进工作面上方，并随下掘而下放的支护方法，适用于稳定围岩和采用平行作业方式的井筒支护，金属掩护筒按构造分柔性掩护筒和刚性掩护筒两种。柔性掩护筒采用型钢制成比掘进直径小200mm的多层圆形骨架，其间距为1m，用钢丝绳相连，在骨架外围敷设三层镀锌钢丝网，构成一个柔性圆筒;刚性掩护筒由采用型钢、钢板制成的外、内两层掩护筒和悬吊装置组成。金属掩护筒悬挂在吊盘的下层盘，随吊盘下降而下降。

石材支护：用料石砌筑竖井井壁的支护方法。仅用于小型竖井、涌水量小的岩层支护。它具有就地取材、施工简单、节约投资、不用木材和钢材等优点，但存在施工效率低、机械化程度低、劳动强度大、封水性能差等缺点，适用于长段单行作业的井筒支护。支护方法是：当竖井掘进至所要求的段高后，浇筑混凝土壁座或壁圈，并由下而上一边砌筑一边进行壁后充填混凝土，直至上段井壁底部。

混凝土支护：由于井筒断面和井深的不断加大，越来越多的竖井采用整体浇灌混凝土井壁作为永久支护的方法。表土井颈段井壁、穿过破碎岩层和地耐力较大地层的竖井段井壁应配置钢筋。混凝土井壁支护包括模板支设、混凝土搅拌、混凝土输送、井壁施工和井壁淋水综合处理措施。

(1)模板支设。按材料分有绳捆式木模板、装配式木模板和金属模板。这些模板在地面加工而在井下组装，并按设计规格进行测量固定，由下往上边支模边浇灌混凝土，直至上段混凝土井壁底部。这种模板作业简单，但施工效率低、劳动强度大、材料用量多，仅适用于单行作业的竖井施工。按构造形式，模板又分为活动金属模板和滑动模板。活动金属模板多用于煤矿竖井，由模板、脱模装置、刃脚、接碴模板构成，可悬挂在吊盘上或由地面稳车直接悬吊，随井筒下掘进行支护。这种模板适用于混合作业施工方式的竖井混凝土浇灌。滑动模板有整体上行滑动模板和液压滑升模板两种，利用丝杠、绞车或液压千斤顶模板，进行自下而上边提拉模板边浇灌混凝土。这种模板适用于单行作业和异段平行作业的井壁混凝土浇灌，特别适用于结构复杂的井颈段和冻结段井壁的二次复壁混凝土施工。

(2)混凝土搅拌。整体浇灌混凝土井壁时，混凝土采用机械搅拌。搅拌站可设置在井口棚内或井口棚外。设在井口棚内的搅拌站有低于井口式、高于井口式和两井共用式三种。

(3)混凝土输送。有吊桶和输送管(溜灰管)两种输送方式。吊桶输送方式可利用矸石吊桶或采用专用的底卸式吊桶或翻转式吊桶。用吊桶将混凝土下至吊盘，经受料斗、分灰器再把混凝土送至井壁模板内。输送管(溜灰管)输送方式包括受料斗、伸缩管、溜灰管、缓冲器、活节管等部分。输送管采用直径169mm、厚6mm无缝钢管，随工作面前进用法兰盘接长。输送管上部配置有伸缩管和受料斗，下部装有缓冲器和活节管。缓冲器起减缓混凝土流速的作用，常用的为圆筒式缓冲器。活节管由15～35个用薄钢板制成的锥形短管组成，总长度为8～20m，在工作面内可以自由摆动并随模板加高而逐节拆除。输送管运输方式可用于井深，大于600m的井筒施工。

(4)井壁施工。按不同作业方式进行现浇混凝土井壁施工。单行作业方式时，在工作面松碴上立底模，自下而上立模浇灌混凝土，直至上段井壁;平行作业方式时，利用吊盘或稳绳盘进行高空立模浇灌混凝土;混合作业方式时，采用活动金属模板随工作面下掘进行混凝土浇灌。若上下两段井壁接碴后仍有渗水，可用快干水泥处理;若有淋水，则应先导水，再进行壁后注浆堵水。当井壁设有梁窝时，可采用预梁窝或现凿梁窝的方法，也可采用螺栓固定钢梁，在安装时进行施工。

(5)井壁淋水综合处理措施。井壁淋水主要是上段井筒淋水、砌壁井段含水岩层涌水以及井口和管路漏水。上段井筒淋水可采取设置截水槽截水措施，将水集中后导入井底。当水量较大又集中出水时，应作注浆处理。对砌壁井段帮淋水，采取的措施之一是，将集中出水点包以卵石滤水层，外面以黄泥或砖石作挡水墙或采用双层模板、快凝混凝土作隔水层，再插入导水管使涌水集中流出模板后进行砌壁或浇灌混凝土，再进行壁后注浆封水。措施之二是，在砌壁段井帮淋水的工作面上方架设木质或钢质挡水板、防水圈、防水槽或在吊盘上层盘进行挡水，使淋水不流入模板内。措施之三是，模板内的积水可在模板上直接钻孔放出或用集水盒、穿孔钢管集水导出，或以虹吸管导水等办法排出。井壁淋水需要采取多种综合处理措施。

(6)锚喷支护。一般用于f>5，而裂隙小、涌水少的围岩支护。锚喷支护的金属网用16号镀锌铁丝编成，支护时相互搭接，用楔缝式锚杆固定在井帮上，与喷射混凝土结合。在竖井支护中，喷射混凝土一般被用作永久支护。由于它分次施工，第一次先喷的一层厚度较小的混凝土可作为临时支护。因而锚喷支护既适用于临时支护，也可用于永久支护。

平斜巷支护

巷道支护包括安设支架和维护巷道双重含义。巷道支护有棚式支架、石材支护、锚杆支护和喷射混凝土支护。棚式支架和石材支护属刚性支护，锚杆支护和喷射混凝土支护具有一定的柔性。

棚式支架：按材料不同有木支架、金属支架、预制钢筋混凝土支架。支架可在制作厂加工，也可在现场加工，采取边掘进边架设。棚式支架的架设顺序为：挖棚腿窝一立棚腿一上顶梁一打角楔一背顶梁一背帮一加撑柱或架设支架纵向拉杆。木支架、金属支架既可用作石材支护的临时支架，又可作为永久支架。在斜巷支护中，当斜巷的倾角小于10°时，棚式支架应有3°～5°迎山角;倾角为10°～20°时，棚间应加顶撑;倾角为20°～30°时，棚间应加顶、底撑;倾角大于30°时，应加顶、底撑和底梁，并在每段下部设置基框或承木，并由下往上进行架棚。

石材支护：用于岩石松软破碎和节理裂隙比较发育及渗水的基岩支护。按结构形式不同分为砌碹支护和整体式支护两种。

(1)砌碹支护。支护材料有砖、料石、混凝土块三种。砌碹支护具有坚固、耐久、防火、阻水、通风阻力小和就地取材等优点，但劳动强度大、机械化程度低、速度慢、阻水效果和整体性能差。石材支护与掘进工作面之间的距离一般为20～40m，可采取单元作业或平行作业施工。当岩石较松软时，常采用由型钢制成的拱形构件作临时支护，并随掘进而架设，达到要求的段长后再进行永久支护施工。临时金属支架按围岩性质不同有无腿支架和带腿支架两种。石材支护的砌筑顺序为：拆除临时支架—掘砌基础—砌筑侧墙—立碹胎模板—砌拱—充填—养护—拆模清理。当围岩稳定性较差时，采用先墙后拱的分段抬拱梁。支护材料采用材料车按需用量供应，砌筑用的砂浆和充填用的混凝土可在现场拌制。

(2)整体式支护。有现浇混凝土支护和钢筋混凝土支护两种，整体式支护的施工顺序与砌碹支护相似。

锚杆支护：将锚杆锚入围岩内，使巷道周围形成一个整体而稳定的岩石带，以达到支架和围岩共同工作目的的巷道支护。锚杆种类较多，按其结构形式有4类22种，矿山常用的锚杆有楔缝式、胀壳式倒楔式以及树脂和水泥等点锚式锚杆;全长粘结式水泥砂浆锚杆(包括钢丝绳锚杆);管缝式、胀管式等摩擦式全长锚固锚杆;楔管式、砂浆楔缝式和砂浆楔管式等综合式锚杆。锚杆材料可采用金属材料或者竹、木。

锚杆安设包括打眼、安装、注眼三个工序。(1)打眼。用凿岩机打眼或用专用的锚杆钻机。锚杆打眼安装机打眼。(2)安装。按锚杆种类和材料不同采用不同的安装方法。竹、木锚杆用风锤或手锤打紧、锚固;楔缝式金属锚杆用风锤、扭力扳手、普通扳手或手锤锚固;管缝式锚杆安装用凿岩，推入孔眼中预定位置;胀管式锚杆可用高压水胀管安装。(3)注眼。可采用先锚后注或先注后锚两种方式。竹、木、金属锚杆安装后，用注眼器、注浆器将水泥砂浆注入。对于树脂锚杆与快硬水泥锚杆，先将水泥药卷或树脂药卷用锚杆体送至孔底，再用配有特殊钻头的普通电钻、扭力扳手或普通扳手将锚杆一次安装。

喷射混凝土支护：用压缩空气将混凝土拌合料经喷枪高速喷射于岩壁表面。并与岩壁紧密粘结，构成支承结构的井壁支护。它与锚杆、钢筋网、钢纤维相结合，能提高喷射混凝土的整体性，可用作临时支护和永久支护。喷射混凝土支护具有许多优点：能使混凝土与围岩紧密粘结，在巷道周壁形成岩石拱，充分发挥围岩的支承作用;巷道开挖后能及时支护围岩;喷层可以薄层支护巷道，具有良好的柔性，对初次地压大的岩层支护效果好;能填补巷道表面的凹穴，缓和应力集中;能及时封闭岩面，减少岩石的风化变形。

根据巷道围岩稳定程度，可分别采用素喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土、锚喷混凝土、锚网喷混凝土进行支护。喷射混凝土施工包括备料、拌料、喷射机输送、喷射、养护等工序。

(1)备料。喷射混凝土的原材料有水泥、砂、石、外加剂和水。所用材料除满足普通混凝土的要求外，应采用标号为425以上的普通硅酸盐水泥、中粗砂和最大粒径不超过25mm的石子。砂石应进行筛洗，并设挡雨棚晾干，严格控制含水率。

(2)拌料。采用容积为375L的蜗桨式搅拌机或螺旋强制式搅拌机拌料。先按设计配合比将砂、石、水泥经计量后送入搅拌机搅拌，然后再将通过振动筛的合格拌合料送入贮料斗待用。

(3)喷射机输送。专用喷射机有干式、湿式、干湿两用和喷射机组四类。干式喷射机有罐式、转体式和螺旋式;干湿两用喷射机有JP型;喷射机组由上料机、混凝土喷射机和喷雾加水系统组成，有适用于巷道支护的PS-JP型喷射机组和适用于竖井支护的喷射机组。喷射机一般设置在支护工作面附近的井口或吊盘上。拌合料可以用矿车、专用材料车或管道运送，速凝剂可在拌料时一齐加入或在喷射机上料时加入。输料管以采用钢管为主，并用软管分别连接喷射机与喷头。输送距离取决于喷射机的性能，水平输送距离一般都在500m以内，向上垂直输送为50m以内，若输送距离较远可在输料管上加设压气喷嘴进行增压。

(4)喷射。利用压缩空气将拌合料通过输料软管送至喷头，在喷头处加水混合后，喷射至支护工作面。喷头有单水环式、双水环式及异径葫芦管与预加水环式三种。喷射混凝土作业分区进行。巷道施喷按先墙后拱顺序进行，当遇到松软不稳定岩层时，初喷为先拱后墙，复喷为先墙后拱，局部不稳定部分应先期处理。竖井施喷由下而上分段喷射。喷枪应按螺旋状轨迹一圈压半圈的横向运动，喷头离工作面的距离为0.5～1.0m，喷枪与受喷面垂线的夹角为10°～15°。喷层较厚时，应分层喷射。

(5)养护。为使水泥充分水化，减少或防止喷射混凝土收缩开裂，混凝土应洒水养护。养护时间和洒水次数视作业面条件而定。

硐室支护

硐室具有断面大、长度短、形状复杂、与周围井巷工程联接多等特点。大多硐室还要求具有隔水、防潮等性能。硐室支护常与井筒支护、车场巷道支护同时进行，使之成为一个整体。硐室支护可采用现浇混凝土和锚喷混凝土支护。其顺序有先拱后墙和先墙后拱。在不稳定岩层中施工硐室时，要进行临时支护，常用的有木支架、钢支架、锚喷临时支护等。

主要支护形

木支架

优点：重量轻、加工容易、架设方便、有破坏信号。

缺点：强度低、易破坏、不防火、易腐蚀、风阻大。

适用条件：巷道服务期较短、压力小、断面积不大。

工字钢支架

全名工字钢可缩性梯形支架，适用于围岩比较稳定，受动压影响，变形200—500mm的巷道。

U型钢支架

1、U型钢可缩性拱形支架，适用于服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于400mm，无底鼓的巷道。

2、U型钢可缩性圆形支架，适用于服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于800mm，有底鼓的巷道。

3、U型钢方环形可缩性环形支架，适用于服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于1000mm，有底鼓的巷道。

锚杆支护

有锚杆支护梯形巷道，锚杆支护拱形巷道等类型。锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式，显著提高了巷道支护效果，保证了采煤工作面的安全、快速推进，促进了煤炭产量的大幅度增长。

我国煤矿锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。早期采用的锚杆支护强度刚度低，支护原理上仍属于被动支护。1996—1997年我国引进澳大利亚锚杆支护技术，高强度锚杆支护技术得到广泛认可。2005 年以来，为解决深部高地应力、受强烈采动影响、沿空留巷等复杂困难巷道支护难题，又开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术，真正实现了锚杆的主动、及时支护，大幅度减少了巷道围岩变形与破坏，支护状况发生了本质改变。2009 年，煤炭行业标准“煤巷锚杆支护技术规范”( MT/T1104 － 2009) 发布，标志着煤巷锚杆支护技术已经逐渐成熟。我国很多矿区煤巷锚杆支护率达到 60% ，有些矿区超过了 90% ，甚至达到 100% 。我国煤矿已经形成了有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系，锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。

锚杆支护理论归纳起来有3种模式：① 被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；② 在锚固区内形成某种结构( 梁、层、拱、壳等) ；③ 改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。

支架破坏形式

常用支架的破坏形式

埋深小于400m的煤巷，支护没有问题：可采用木支架、工字钢支架和U型钢可缩性支架；

埋深超过600m，传统支护不能适应：木支架和金属刚性支架彻底毁坏、U型钢可缩性支架严重变形、低强度锚杆支护不能满足巷道维护要求。

巷道支护监测

在井巷支护过程中和支护后，对巷道围岩稳定性、支护工作状况进行的监控和测试工作。支护监测的任务是预报支护的安全程度，及时调整支护参数，修改支护设计，有效地维护好井巷工程。

以喷锚支护为例，支护监测有下列几方面的应用：(1)按测得的围岩允许的最大变形量，设计支护结构的合理的柔性。(2)按测得的围岩松动圈尺寸设计锚杆的合理长度。(3)按测得的围岩变形时间效应，确定两种支护合理间隔时间。(4)按一次支护喷层应力大小设计二次喷层厚度。(5)按测得的锚杆受力情况，调整其参数。

监测方法：包括测试位移量和收敛量两种方法。位移量测试包括测试巷道周边收敛值和围岩内部位移值。

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