1、 专题部分 第102页我国煤矿巷道支护现状摘要：矿井巷道支护经历了从木支架，到金属支架的过度。随着技术的发展，为了保证生产安全，传统的单一支护形式也逐渐的被新的联合支护方式所替代。关键词：锚杆、联合支护1 绪论1.1 煤炭是我国的基础能源我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭是我国的战略性基础能源。2010年我国能源消费结构为：煤炭、石油、天然气、核电、水电、其他可再生能源分别占一次能源消费总量的66.1%、20.5%、5.3%、0.9%、6.8%和0.4%。从我国能源现状来看，中国富煤、贫油、少气的总体状况没有改变，煤炭在我国一次性能源生产和消费结构比例中始终占70%左右，煤炭资源储量的可
2、靠性、供应的安全性、燃烧的可洁净性等，决定了煤炭工业在中国国民经济中的基础地位将是长期和稳固的。以煤炭为基础的能源结构，仍然是中国能源发展战略的必然选择。（数据来源：中国煤矿资源网）1.2 我国原煤产量我国煤炭资源丰富，产量居世界首位，在未来20-50年内，我国能源生产和消费以煤为主的格局不会改变。1994年，我国原煤产量12.4亿t，跃居世界第一位。从2001年到2004年，我国煤炭产量每年增长2亿吨以上，这在世界煤炭工业史上是前所未有的，但仍满足不了国内经济快速发展的需求。2003年全国原煤产量完成16.7亿t，比上年增加2.8亿t；2004年原煤产量突破19亿t，成为名副其实的产煤大国。
3、从2001年到2010年，我国各年原煤产量如表1-1所示。表1-1 我国近十年来原煤产量统计年份 /a产量 同比增长 200111.1200213.824%200316.721%200419.617%200521.912%200623.89%200725.47%200827.910%200930.59%201032.46%1.3我国煤炭行业现状简述1.3.1 煤炭行业单位生产效率亟待提高煤炭是我国重要的基础能源和重要原料，煤炭工业的发展推动了国民经济的快速发展。近年来，我国煤炭行业发展态势良好，但从2008年三季度开始，受宏观经济放慢的影响，国际国内市场需求双双下降，导致价格下跌。同时，由于高
4、利润的驱使，煤炭行业投资高速增长，产能迅速增加。随着前几年煤矿建设陆续投产，今后几年新增生产能力将集中释放出来，产能过剩压力日趋严重。 图1-3 煤炭行业景气指数图 图1-4 我国近年来煤炭行业利润变化图2009年政府的政策取向也在很大程度上影响了煤炭价格走势，加之我国煤炭需求趋缓导致煤炭价格下降。同时，国家相关政策敦促煤炭企业投入提高，这意味着我国煤炭行业利润增速将大幅放慢。2009年1-8月，煤炭行业实现利润1228亿元，同比下降11.85%，增幅比1-5月回落15个百分点。煤炭行业利润的降低要求煤炭企业必须提高生产效率、改进生产工艺，严格控制成本，节约生产材料，从而保持利润平稳增长。1.
5、3.2 我国煤炭需求平稳增长煤炭工业“十一五”发展规划提出，五年压缩小煤矿产能3.8亿吨以上。同时，随着制约煤炭行业发展的运输等问题逐步解决，煤炭库存问题也将迎刃而解。从长期而言，煤炭资源价格市场化将是必然趋势，并且资源的稀缺性及经济发展对资源需求增加，都决定了煤炭需求的内在上升趋势。从宏观角度分析，最近三十年，我国煤炭消费增长总体上与经济波动保持一致。我国政府公布的今后两年总额为4万亿元的投资，按照1:3的乘数效应，可以带动全社会总额约12万亿的投资，这将对拉动我国经济增长起到巨大的作用。因此，未来两年的宏观经济走势相对乐观。预计2008-2010年，我国煤炭消费增长分别为6.56%、6.2
6、1%和6.35%，煤炭消费量分别为27.42亿吨、29.13亿吨和30.98亿吨，需求仍将保持平稳增长。图 1-5 近年来煤炭行业产量变化未来国际市场的复苏和焦炭市场的好转是煤炭行业逐渐走向好转的主要因素。1.4 顶板灾害简述及巷道支护的重要性近年来，我国煤炭事故频发，2009年全年，中国矿山安全事故已达2014起，其中死亡3393人；煤矿平均百万吨死亡率0.892，居世界之首，大大高于世界上煤炭生产先进国家。中国煤矿多为井工开采、煤炭资源赋存条件差、自然灾害严重；顶板事故、盗采煤矿、生产失误、器械老化及故障等是矿难的主要原因。其中，顶板事故是指在井下采煤过程中，顶板意外冒落造成的人员伤亡、设
7、备损坏、生产中止等事故。在实现综合机械化采煤以前，顶板事故在煤矿事故中占有极高的比例，随着支护设备的改进及对顶板事故的研究、预防技术的提高和逐步完善，顶板事故所占的比例有所下降，但仍然是煤矿生产中的主要灾害之一。我国煤炭赋存条件复杂，绝大多数煤矿采用井工开采的方式。其中，巷道支护是劳动量最大、难度最高、材料消耗最多的工序，支护费用占煤矿开采总费用的50%以上。随着矿井开采深度的增加，巷道断面不断扩大，巷道围岩变形量也随之加大，巷道支护的难度也将增大。另外，巷道支护产生的顶板事故在煤矿事故中的比例居高不下，2001-2007年度我国煤矿顶板事故发生次数占所有事故的60.44 %，死亡人数占总人数
8、的32.8 %，顶板事故已成为严重制约煤矿安全生产和快速发展的因素。煤矿支护主要指在地下采掘过程中，采用支撑工具或设备维护工作面顶板安全的过程。它的主要作用就在于为井下开采各道工序提供安全的作业环境。煤矿支护直接涉及到采煤的安全效率消耗量，以及环境保护，工业卫生，采掘成本与机械化水平。就我国来说，每年用于支护方面的木材就高达400 万方，钢材近50 万t，直接费用更高达2.0 亿元人民币。可见，煤矿支护的投入从来都是关系到煤矿企业正常生产的头等大事。据有关统计，我国煤矿每年新掘进巷道超过1.1万km。巷道作为井下生产以及通风系统的必经之路，其对于整个矿井系统的作用也是显而易见的。因此为了让井下
9、系统正常运行，保证巷道不受破坏是及其重要的。1.5 巷道破坏原因简述1）巷道围岩承载能力差，岩块本身的强度较小，尤其是层理和节理的发育，在高应力作用下岩块沿结构面剪切滑移，使岩体整体承载能力很差。2）巷道支架承载能力没有得到有效发挥。尤其在围岩十分松散破碎的情况下，巷道表面围岩与U型钢支架接触关系较差，使得支架承载大多为偏载状态，极易导致结构性失稳，造成U型钢实际承载能力与理论承载能力相差较远。3）巷道支架支护强度不足。巷道支架所能提供的支护阻力是控制巷道强烈变形的关键因素之一。4）支护体本身结构不稳定。5）单一支护方式无法控制软岩巷道的强烈变形。现代支护理论强调，围岩本身不再单独是支护体的载
10、荷，而是具有自稳能力的承载体。围岩的自稳能力远大于支护的作用，因此近年来大力推广锚杆支护技术，但在松软破碎围岩中，围岩本身的可锚性差，高强树脂锚杆的锚固性能难以发挥，特别是围岩松动范围大，在顶板围岩松散破碎的情况下，围岩本身的自稳能力较差，允许空顶时间较短，并不适宜采用锚网支护，而单纯采用被动支护，在巷道浅部围岩变形屈服后方才承载、抗压，无法控制塑性屈服区域向围岩深部扩展，必然最终破坏失稳。因此，必须通过耦合支护发挥主动支护和被动支护的作用，才能有效控制此类巷道变形。2 巷道支护的发展国内煤矿巷道支护技术总的来讲经历了从被动支护、主动支护到联合支护的发展过程。现将各过程分述如下。2.1 被动支
11、护巷道的开掘破坏了原岩应力的平衡，要使巷道不受破坏，必然要在巷道的两帮和顶、底施加一个作用力以控制巷道的围岩变形。这种通过外界物直接作用在巷道上的支护就是被动支护。2.1.1 木支架木支架在采矿工业中用的最早，过去也用的最广泛。巷道支护中常用梯形木支架，是由一根顶梁、两个棚腿及背板、木楔组成。木支架质量较轻，具有一定强度，加工方便，架设方便，特别适用于多变地下条件；构造上可以做成一定刚性的，也可以做成有较大可缩性；当地压突然增大时木支架还能发出声响信号。其缺点是强度有限、不能防火、容易腐朽、服务年限短，不能阻止和防止围岩风化，特别是木材耗量巨大。2.1.2 金属支架金属支架是一种优良的坑木代用
12、品，其主要型式如下。1）梯形金属支架梯形金属支架用1824 kg/m钢轨、1620号工字钢或矿用工字钢制作，由两腿一梁构成。型钢棚腿下焊一块钢板，以防止其陷入巷道底板，有时还可在棚腿之下架设垫板。梯形金属支架通常用于回采巷道，在断面较大、地压较严重的其他巷道也可以使用。2）拱形可缩性金属支架拱形可缩性金属支架是用矿用特殊型钢制作，特殊型钢包挂工字钢、U型钢等。其中U型钢可缩性支架被公认为是井下支护的一次重大突破。拱形可缩性金属支架适用于地压大、围岩变形大的巷道，支护断面一般不大于12 m2。当巷道地压达到某一限定值后，弧形顶梁即沿着柱腿弯曲部分产生微小的相对滑移，支架下缩，从而可缓和岩层对支架
13、的压力。2.1.3 石材整体支护石材整体支护，是指料石、混凝土或钢筋混凝土砌筑成的整体支护。这种支护的主要形式是直墙拱顶式，它由拱、墙和基础构成。拱的作用是承受顶压并将其传给侧墙和两帮。以前，我国煤矿采用这种支护形式很多，但随着锚喷支护的推广，其应用越来越少。石材整体支护的应用条件是：1）锚喷支护无法实现的地段；2）大面积淋水或部分涌水且处理无效的地段；3）有化学腐蚀的地段；4）特殊要求的地段。2.2 主动支护在被动支护中，围岩都是作为载荷体直接作用在支架上。而主动支护则是通过某种手段将围岩由载荷体转化为承载体，从而提高了支护的积极性，更有利与控制围岩巷道的变形。2.2.1 锚杆支护在整个煤矿
14、巷道支护发展历程中，锚杆支护被公认为是井下支护技术上的又一次突破。1）定义锚杆是用金属或其他高抗拉性的材料制作成的一种杆状构件，通过一定施工操作将其安设在地下工程的围岩或其他工程体中，即能形成承受载荷、阻止变形的围岩拱结构或其他复合结构的锚杆支护。在巷道支护中，锚杆以其良好的支护性能，已成为取代棚式支架和砌諠的一种较好的支护方式，是巷道支护技术的一个主要方向。2）锚杆的结构类型锚杆的种类很多，依锚固方式分其主要类型如图2-1所示，其优缺点如表2-1所示。表2-1 各种类型锚杆的主要优缺点锚杆类型优 点缺 点端头锚固机械锚固型安装迅速，及时承载对深部围岩强度要求高粘结锚固型易加工，制造简单对深部
15、围岩强度要求一般全长锚固机械锚固型易安装，及时承载易腐蚀，锚固强度易衰减和丧失粘结锚固型适用范围广，锚固力大树脂锚杆成本高，树脂易燃，有毒3）锚杆支护作用原理正确地设计和应用锚杆支护，必须对锚杆支护机理有正确认识，并以完善的锚杆支护理论作为指导。传统的支护理论：悬吊理论、组合拱（压缩拱）理论，近期又有了最大水平应力理论。这些理论都是以一定假说为基础的，各自从不同角度、不同条件阐述锚杆支护的作用机理。图2-1 锚杆悬吊理论图图2-2 锚杆组合拱理论图 图 2-3 锚杆安装组合示意图注：1-锚杆 2-托盘 3-防松垫圈 4-塑料减摩垫圈 5-阻尼螺母2.2.2 预应力锚索预应力锚索与普通的锚杆相比锚索的长度较长，能锚入深部较稳定的岩层中
