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【摘要】经济的快速发展带来了更多的煤炭资源需求，也使煤矿开采工程受到了前所未有的关注。随着煤矿开采的不断深入，支护设计技术也较之前有了较为明显的进步。本文我们将以支护技术的应用为中心展开论述，探讨其在煤炭开采工程中的具体应用。
【关键词】煤矿开采；支护；锚杆支护
中图分类号：TD353.6
一、煤矿开采支护技术简述
1、支护技术在煤矿开采中的意义
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 万吨，直接费用更高达20 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。
2、煤矿开采支护原理
巷道开挖后， 岩体的原岩应力状态被破坏， 围岩中应力重新分布； 在切向应力增大的同时， 径向应力不断减小， 并在硐壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道空区变形， 围岩本身的裂隙发生扩容和扩展， 力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下， 切向应力在硐壁处高度集中， 使该区域岩石屈服而进人塑性状态。对硬岩巷道， 因其强度较高， 应尽量控制塑性区和松动区的出现，切向应力使围岩处于弹性状态。然而， 对于软岩巷道， 则必须要求围岩中的部分岩石进人塑性状态， 使径向应力形成一定塑性变形区且以达最大塑性承载力为佳。
3、煤矿支护方案的选择与分析
我国矿井巷道断面形状主要有折线形和曲线形两大类。曲线形巷道断面能够对巷道断面四周的拉应力起到优化作用，使巷道断面周边的拉应力降低，甚至出现压应力，巷道的稳定性好。高应力条件下，不同断面形状巷道的塑性区分布基本一致，與等效开挖的圆形椭圆形巷道接近。围岩塑性区分布与巷道断面的等效开挖半径紧密相关。无效加固区为等效开挖的巷道断面与实际巷道断面的“差集”。断面形状不同，低效加固区就不同，但塑性区分布是相近的： ①垂直应力和水平应力相等时，等效开挖断面为圆形； ②垂直应力大于水平应力时，等效开挖断面为椭圆形，椭圆的长轴在垂直方向上； ③垂直应力小于水平应力时，等效开挖断面仍为椭圆形，但椭圆长轴在水平方向上。合理的断面形状要考虑应力分布特点、巷道用途、服务年限、围岩自身稳定性等。支护方案与参数设计则应进一步考虑等效开挖后的圆形巷道或椭圆形断面。
二、断层破碎带煤矿支护技术浅析
众所周知， 当煤矿掘进巷道遇断层破碎带或不稳定岩层时， 巷道的断面以直墙半圆拱形和三心拱形为主， 一般采用传统U 型钢棚支护或砌碹支护。而该煤矿在施工副井时遇断层破碎带， 改为使用锚杆、金属网、钢丝绳梁、喷浆支护， 取得了良好效果。实践证名，锚杆、金属网、钢丝绳梁、喷浆支护将成为掘进巷道过断层破碎带及不稳定岩石巷道的一种有效支护方法， 该支护方法扩大了锚杆支护的应用范围， 带来了显著的技术经济效益。我们以一个煤矿工程为例，对这一技术的实施进行介绍。
1、巷道概况
该煤矿副井为该矿技术改造后的主井， 井口标高为 + 1055.40 m ， 井底标高为+864.8m，巷道总长度597m，断层破碎带位于440m 处。该段巷道断面为直墙半圆拱形， 围岩为泥岩、粉砂岩为主， 属中等坚硬岩石。断层破碎带的岩体不稳定， 如不及时支护， 极易发生片帮、冒顶现象。
2、支护设计思路与施工程序
巷道断层破碎带采用锚杆、金属网、钢丝绳梁、喷浆支护， 锚杆、金属网及钢丝绳梁与混凝土喷层有机结合成一体， 形成强有力的组合拱， 与围岩共同承载， 从而大大提高了围岩自身支承能力， 达到一次成巷。其施工工序为： 爆破 - 出矸 - 安设锚杆 - 铺设金属网及钢丝绳梁 - 喷射混凝土。
（1）锚杆支护
锚杆支护在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论， 属于“主动”支护，锚杆安装以后在围岩内部对围岩进行加固， 迅速形成一个围岩—支护的整体承载结构， 因而能够调动和利用围岩自身的稳定性， 充分发挥围岩的自身承载能力， 有效地控制巷道围岩变形， 所以锚杆支护更有利于保护巷道围岩的稳定， 改善巷道维护状况。与传统的架棚式支护相比， 锚杆支护能更好地适应回采巷道围岩变形大的特点， 并能保持围岩的完整性和稳定性， 其支护效果优于工字钢支架， 在工作面回采期间， 工作面端头维护明显得到改善， 提高了工作面的推进速度。在该煤矿的断层破碎带， 是根据挤压加固拱原理， 确定锚杆支护参数的。最终确定， 锚杆选用直径18mm、长 1800mm的端头锚固式金属锚杆， 矩形布置， 间排距750×750（mm）。锚杆采取端头锚固，用二卷直径35 mm 、长350 mm的树脂锚固剂。锚杆托板为边长160mm 、厚10mm的方形铁托板， 在中部冲压出一个球面。
（2）金属网及钢丝绳梁支护
金属网的网筋强度和刚度必须满足支护的要求， 具有一定的抗剪、抗弯能力。故选用 10#铁丝编织网。网眼不能过小， 以免喷射护层时网后出现空洞， 影响喷层强度。网片大小要合适， 施工中使用方便。故金属网规格选用 5 × 1.2（m），网目规格 60× 60（mm）。网相邻两边搭接 100mm，用网丝连接， 网丝扣距不大于 1 0 0 m m 。金属网铺设要平直， 紧贴岩壁。钢丝绳梁使用废旧并除锈经破股的钢丝绳的单股， 要求单股直径不小于 6 m m ， 双股拧成麻花劲锚杆从麻花扣中窜过， 用锚杆托板将钢丝绳梁压紧在金属网与托盘间。
（3）喷射混凝土支护
喷射混凝土材料选用 425号普通硅酸盐水泥， 砂子为中粒河砂， 石子粒直径不大于20mm 。水泥、砂子、石子的配比为1∶2.5∶1.5。速凝剂掺量控制在水泥重量的3 % ～5 % 范围内。混凝土喷层过薄影响支护强度， 过厚则影响其柔性， 脆性增加， 易与围岩离层。根据巷道服务年限、跨度及围岩稳定性确定喷射混凝土总厚度为120mm 。分二次喷射混凝土， 初喷厚度为40mm， 复喷后达到120mm。初喷混凝土紧跟迎头。初喷的喷层具有较大的柔性， 允许围岩有一定的变形位移， 从而使围岩的应力得以释放， 再进行复喷。复喷滞后初喷10m～20m。
三、断层破碎带煤矿支护施工中应注意的问题
①掘进爆破必须采用光面爆破， 保证光爆质量， 减少围岩破坏， 使巷道成形规整。这样可减少局部应力集中， 并为铺设金属网创造良好的条件， 此外还可使混凝土喷层厚度均匀， 能更好地承受较大的变形应力。
②严禁空顶作业， 用吊环式前探刹杆作临时支护以确保安全。
③注意锚杆的安装质量， 失效锚杆必须重新补设。锚杆锚固力在 7 0 k N 以上。
④喷浆前必须检查锚杆的紧固力， 发现紧固力不够的必须重新对锚杆进行紧固。
⑤金属网铺设要求平直， 钢丝绳梁必须压紧， 并在喷射混凝土前留出金属网网边， 以便下一循环进行搭接。
⑥混凝土喷层表面要平整， 消除急角凹凸， 厚度要均匀， 避免表面应力集中而造成的局部破裂现象。
参考文献：
[1]记者李庆. 贵州煤矿支护改革撑起安全网[N]. 中国煤炭报，2009-12-23003.
[2]曹福群，李友矩. 完善煤矿支护管理 降低支护材料消耗[J]. 煤炭经济研究，1988，06：26-28.
[3]王国法，傅京昱. 煤矿支护设备技术标准体系与试验装置研究[J]. 煤炭科学技术，2012，01：87-91.
【关键词】煤矿开采；支护；锚杆支护
中图分类号：TD353.6
一、煤矿开采支护技术简述
1、支护技术在煤矿开采中的意义
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 万吨，直接费用更高达20 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。
2、煤矿开采支护原理
巷道开挖后， 岩体的原岩应力状态被破坏， 围岩中应力重新分布； 在切向应力增大的同时， 径向应力不断减小， 并在硐壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道空区变形， 围岩本身的裂隙发生扩容和扩展， 力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下， 切向应力在硐壁处高度集中， 使该区域岩石屈服而进人塑性状态。对硬岩巷道， 因其强度较高， 应尽量控制塑性区和松动区的出现，切向应力使围岩处于弹性状态。然而， 对于软岩巷道， 则必须要求围岩中的部分岩石进人塑性状态， 使径向应力形成一定塑性变形区且以达最大塑性承载力为佳。
3、煤矿支护方案的选择与分析
我国矿井巷道断面形状主要有折线形和曲线形两大类。曲线形巷道断面能够对巷道断面四周的拉应力起到优化作用，使巷道断面周边的拉应力降低，甚至出现压应力，巷道的稳定性好。高应力条件下，不同断面形状巷道的塑性区分布基本一致，與等效开挖的圆形椭圆形巷道接近。围岩塑性区分布与巷道断面的等效开挖半径紧密相关。无效加固区为等效开挖的巷道断面与实际巷道断面的“差集”。断面形状不同，低效加固区就不同，但塑性区分布是相近的： ①垂直应力和水平应力相等时，等效开挖断面为圆形； ②垂直应力大于水平应力时，等效开挖断面为椭圆形，椭圆的长轴在垂直方向上； ③垂直应力小于水平应力时，等效开挖断面仍为椭圆形，但椭圆长轴在水平方向上。合理的断面形状要考虑应力分布特点、巷道用途、服务年限、围岩自身稳定性等。支护方案与参数设计则应进一步考虑等效开挖后的圆形巷道或椭圆形断面。
二、断层破碎带煤矿支护技术浅析
众所周知， 当煤矿掘进巷道遇断层破碎带或不稳定岩层时， 巷道的断面以直墙半圆拱形和三心拱形为主， 一般采用传统U 型钢棚支护或砌碹支护。而该煤矿在施工副井时遇断层破碎带， 改为使用锚杆、金属网、钢丝绳梁、喷浆支护， 取得了良好效果。实践证名，锚杆、金属网、钢丝绳梁、喷浆支护将成为掘进巷道过断层破碎带及不稳定岩石巷道的一种有效支护方法， 该支护方法扩大了锚杆支护的应用范围， 带来了显著的技术经济效益。我们以一个煤矿工程为例，对这一技术的实施进行介绍。
1、巷道概况
该煤矿副井为该矿技术改造后的主井， 井口标高为 + 1055.40 m ， 井底标高为+864.8m，巷道总长度597m，断层破碎带位于440m 处。该段巷道断面为直墙半圆拱形， 围岩为泥岩、粉砂岩为主， 属中等坚硬岩石。断层破碎带的岩体不稳定， 如不及时支护， 极易发生片帮、冒顶现象。
2、支护设计思路与施工程序
巷道断层破碎带采用锚杆、金属网、钢丝绳梁、喷浆支护， 锚杆、金属网及钢丝绳梁与混凝土喷层有机结合成一体， 形成强有力的组合拱， 与围岩共同承载， 从而大大提高了围岩自身支承能力， 达到一次成巷。其施工工序为： 爆破 - 出矸 - 安设锚杆 - 铺设金属网及钢丝绳梁 - 喷射混凝土。
（1）锚杆支护
锚杆支护在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论， 属于“主动”支护，锚杆安装以后在围岩内部对围岩进行加固， 迅速形成一个围岩—支护的整体承载结构， 因而能够调动和利用围岩自身的稳定性， 充分发挥围岩的自身承载能力， 有效地控制巷道围岩变形， 所以锚杆支护更有利于保护巷道围岩的稳定， 改善巷道维护状况。与传统的架棚式支护相比， 锚杆支护能更好地适应回采巷道围岩变形大的特点， 并能保持围岩的完整性和稳定性， 其支护效果优于工字钢支架， 在工作面回采期间， 工作面端头维护明显得到改善， 提高了工作面的推进速度。在该煤矿的断层破碎带， 是根据挤压加固拱原理， 确定锚杆支护参数的。最终确定， 锚杆选用直径18mm、长 1800mm的端头锚固式金属锚杆， 矩形布置， 间排距750×750（mm）。锚杆采取端头锚固，用二卷直径35 mm 、长350 mm的树脂锚固剂。锚杆托板为边长160mm 、厚10mm的方形铁托板， 在中部冲压出一个球面。
（2）金属网及钢丝绳梁支护
金属网的网筋强度和刚度必须满足支护的要求， 具有一定的抗剪、抗弯能力。故选用 10#铁丝编织网。网眼不能过小， 以免喷射护层时网后出现空洞， 影响喷层强度。网片大小要合适， 施工中使用方便。故金属网规格选用 5 × 1.2（m），网目规格 60× 60（mm）。网相邻两边搭接 100mm，用网丝连接， 网丝扣距不大于 1 0 0 m m 。金属网铺设要平直， 紧贴岩壁。钢丝绳梁使用废旧并除锈经破股的钢丝绳的单股， 要求单股直径不小于 6 m m ， 双股拧成麻花劲锚杆从麻花扣中窜过， 用锚杆托板将钢丝绳梁压紧在金属网与托盘间。
（3）喷射混凝土支护
喷射混凝土材料选用 425号普通硅酸盐水泥， 砂子为中粒河砂， 石子粒直径不大于20mm 。水泥、砂子、石子的配比为1∶2.5∶1.5。速凝剂掺量控制在水泥重量的3 % ～5 % 范围内。混凝土喷层过薄影响支护强度， 过厚则影响其柔性， 脆性增加， 易与围岩离层。根据巷道服务年限、跨度及围岩稳定性确定喷射混凝土总厚度为120mm 。分二次喷射混凝土， 初喷厚度为40mm， 复喷后达到120mm。初喷混凝土紧跟迎头。初喷的喷层具有较大的柔性， 允许围岩有一定的变形位移， 从而使围岩的应力得以释放， 再进行复喷。复喷滞后初喷10m～20m。
三、断层破碎带煤矿支护施工中应注意的问题
①掘进爆破必须采用光面爆破， 保证光爆质量， 减少围岩破坏， 使巷道成形规整。这样可减少局部应力集中， 并为铺设金属网创造良好的条件， 此外还可使混凝土喷层厚度均匀， 能更好地承受较大的变形应力。
②严禁空顶作业， 用吊环式前探刹杆作临时支护以确保安全。
③注意锚杆的安装质量， 失效锚杆必须重新补设。锚杆锚固力在 7 0 k N 以上。
④喷浆前必须检查锚杆的紧固力， 发现紧固力不够的必须重新对锚杆进行紧固。
⑤金属网铺设要求平直， 钢丝绳梁必须压紧， 并在喷射混凝土前留出金属网网边， 以便下一循环进行搭接。
⑥混凝土喷层表面要平整， 消除急角凹凸， 厚度要均匀， 避免表面应力集中而造成的局部破裂现象。
参考文献：
[1]记者李庆. 贵州煤矿支护改革撑起安全网[N]. 中国煤炭报，2009-12-23003.
[2]曹福群，李友矩. 完善煤矿支护管理 降低支护材料消耗[J]. 煤炭经济研究，1988，06：26-28.
[3]王国法，傅京昱. 煤矿支护设备技术标准体系与试验装置研究[J]. 煤炭科学技术，2012，01：87-91.